Механика ч.1 / МЕХАНИКА.Лаб. прак.ч2 / Л.р.№23Коэффициент трения скольжения и покоя

ЛАБРОРАТОРНАЯ РАБОТА № ХХ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Цель работы: определение коэффициента трения скольжения.

Оборудование: блок секундомер электронный СЭ1, блок механический БМ2.

Краткие теоретические сведения

Силой трения называется сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их взаимному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности их соприкосновения и направлена всегда противоположно относительной скорости перемещения.

Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о трении покоя; при относительном перемещении говорят о трении скольжения. В случае если одно из тел катится по поверхности другого без проскальзывания, то говорят о трении качения.

Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. В зависимости от приложенной силы тяги величина силы трения покоя меняется от 0 до – того значения силы, когда брусок начнет двигаться. Поэтому

Обычно силой трения покоя называют максимальную силу трения покоя .

Сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и пропорциональна силе нормального давления (а следовательно, равной ей силе реакции опоры ):

Величина называется 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 , при котом брусок скачкообразно сдвинется с места и начнет скользить по плоскости.

В данном случае на брусок будут действовать три силы: сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения .

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

Подойдём к вопросу определения коэффициента трения с другой стороны. При значении угла наклона плоскости брусок будет соскальзывать с наклонной плоскости. Запишем уравнения динамики поступательного движения:

Учтем, что сила трения скольжения равна

где μ – коэффициент трения скольжения.

Решая систему уравнений (5), (6) и (7), получаем

Величину ускорения можно найти, измерив пройденный бруском путь S и соответствующее время t:

Формула получена при нулевом значении начальной скорости, что соответствует условиям опыта. Подставляя (5) в (4), получаем рабочую формулу для определения коэффициента трения скольжения:

Описание установки

Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами к горизонту (рис.2). Угол α измеряется с помощью шкалы 3. На плоскость может быть помещен брусок 4 массой m. Брусок имеет две поверхности скольжения из различных материалов (древесина, дюралюминий). Брусок закрепляется в верхней точке наклонной плоскости с помощью электромагнита 5, управление которым осуществляется с помощью электронного секундомера СЭ1. Пройденное бруском расстояние измеряется линейкой 6, закрепленной вдоль плоскости. Время соскальзывания бруска измеряется автоматически с помощью датчика 7, выключающего секундомер в момент касания бруском финишной точки.

Порядок выполнения работы

1. Ослабив винт 2 (рис. 2), установите плоскость под углом к горизонту. Поместите брусок 4 (сталь-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз.

2. Медленно изменяя угол наклона плоскости, найдите такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Запишите угол наклона плоскости . Вычислите по формуле (4) коэффициент трения покоя μ. Результаты запишите в таблицу.

3. Повторите опыт пятикратно.

4. Вычислите случайную ошибку определения угла по формуле

и абсолютную ошибку по формуле

5. Вычислите относительную ошибку коэффициента трения

Вычислите величину абсолютную ошибку коэффициента трения покоя .

Запишите результат в виде .

6. Повторите п.п. 1-3, повернув брусок в положение металлом вниз. Математическую обработку и вычисление ошибки измерения выполните только для одного положения бруска.

Таблица

	Дерево – дерево	Дерево – металл	Дерево – дерево	Дерево – металл
Номер опыта	Угол наклона плоскости	Угол наклона плоскости	Время соскальзывания , с	Время соскальзывания , с
1
2
3
4
5
S, м
	Коэффициент трения покоя	Коэффициент трения покоя	Коэффициент трения скольжения	Коэффициент трения скольжения

7. Ослабив винт 2 (рис. 2), установите плоскость под углом 25^° к горизонту, электромагнит при этом должен находиться в нижней части плоскости. Закрепите плоскость в таком положении, зажав винт 2.

8. Включите секундомер СЭ-1. Убедитесь, что он находится в режиме № 1.

9. Поместите брусок на наклонную плоскость в положении деревом вниз, прижмите торец бруска, на который наклеена металлическая пластина, к электромагниту. Убедитесь, что брусок удерживается в этом положении.

10. Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. При этом происходит одновременное отключение электромагнита и включение секундомера. Выключение секундомера происходит автоматически в момент удара бруска по финишному датчику.

11. Запишите время соскальзывания бруска t, пройденный бруском путь S, угол наклона плоскости α. Вычислите по формуле (10) коэффициент трения скольжения μ.

12. Повторите опыт пятикратно.

13. Вычислите случайную ошибку времени скатывания

14. Вычислите относительную ошибку коэффициента трения

Вычислите величину абсолютной ошибки коэффициента трения покоя .

Запишите результат в виде .

15. Повторите п.п. 7-14, повернув брусок в положение дюралью вниз. Математическую обработку и вычисление ошибки измерения выполните только для одного положения бруска.

16. Сравните полученные в опыте значения коэффициента трения покоя с коэффициентом трения скольжения и с табличными данными.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит сила трения?

2. Какие силы называются диссипативными?

3. Сформулируйте закон сохранения механической энергии, общефизический закон сохранения энергии.

4. Напишите выражение для силы трения скольжения.

5. Запишите выражение для потенциальной энергии, для кинетической энергии поступательного движения, кинетической энергии вращательного движения.

6. Выведите формулы (4) и (10).

7. Какова связь между работой и изменением потенциальной энергии?

Библиографический список

1.Трофимова, Т. И. Курс физики / Трофимова Т.И. – М.: Академия, 2004. – § 8, § 11 – 13.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики в 3-х т. Т.1 / И. В. Савельев.– СПб.: Лань, 2005. – § 15, § 18 – 20.

3. Кингсеп, А. С. Основы физики: в 2-х т. Т. 1 / А. С. Кингсеп, Г. Р. Локшин, О. А. Ольхов. – М.: Физматлит, 2001. – Ч.1. Гл. 5 § 5.1 – 5.3.

4. Детлаф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1999. – § 3.1–3.4.