Трение качения

В различных случаях силы трения оказываются как полезными, так и вредными, с которыми приходится бороться. Для уменьшения трения применяются смазки. Однако более радикальным способом уменьшения сил трения является замена трения скольжения трением качения.

Под трением качения понимают трение, возникающее между шарообразным или цилиндрическим телом (например, колесом), катящимся без скольжения (рис. 13.3).

Коэффициентом трения качения называется отношение модуля момента сил сопротивления движению тела (в данной работе момента силы трения ) к модулю силы нормального давления

. (13.10)

При перекатывании цилиндра по поверхности твердого тела возникает деформация. Из-за чего линия силы, действующей на тело со стороны поверхности , не совпадает с линией силы нормального давления , прижимающей тело к поверхности. Составляющая силы , перпен-

Рис. 13.3 дикулярная к поверхности , практически

равна силе нормального давления , (так как тело в вертикальном направлении не движется), а горизонтальная составляющая представляет собой силу трения . Сила трения приводит к уменьшению скорости перемещения центра масс колеса, то есть к уменьшению скорости его поступательного движения. Но она создает момент силы, который должен увеличивать скорость вращения тела. Силы же и создают пару сил, момент которой направлен в обратную сторону и замедляет вращение.

Если цилиндр движется по плоскости равномерно, то моменты сил равны. Момент пары сил равен произведению модуля силы на плечо пары, которое равно расстоянию между силами k, а момент силы трения скольжения равен произведению силы трения на ее плечо, которое примерно равно радиусу колеса R. То есть,

, (13.11)

откуда

. (13.12)

Сравнив (13.12) с (13.10), приходим к выводу, что (так как ). Таким образом, коэффициент трения качения представляет собой плечо силы, следовательно, имеет размерность длины.

Отношение , входящее в формулу (13.12), было выведено выше (13.9). Подставив (13.9) в (13.12), получим формулу для расчета коэффициента трения качения

. (13.13)

В данной работе коэффициент трения качения определяется тем же методом наклонного маятника, что и коэффициент трения скольжения. В этом случае маятник представляет собой шарик, подвешенный на нити и катящийся с затуханием по наклонной плоскости. Безусловно, затухание колебаний шарика будет происходить медленнее, чем затухание колебаний бруска, то есть угол отклонения шарика через n колебаний _n будет меньше отличаться от ₀.

Радиусы шаров R: стального – 10,2 мм; алюминиевого – 10,3 мм; латунного – 10 мм.

Описание установки и метода измерений

Наклонный маятник, применяемый в настоящей работе (рис. 13.4) состоит из следующих основных элементов: 1–3 – основание, стойка и ниж-ний кронштейн, 4 – шкала измерения угла наклонения плоскости–образца, 5 – шкала отсчёта амплитуды колебаний маятника, 6–8 – стержень, верхний кронштейн и маятник.

Рис. 13.4

Выполнение лабораторной работы состоит из двух частей: 1 – определение коэффициента трения скольжения с помощью физического маятника; 2 – определение коэффициента трения качения с помощью шарика, закрепленного на нити. Подготовка установки к работе предусматривает:

1. произвести регулировку положения основания при помощи регулировочных опор таким образом, чтобы нить подвеса маятника или стержень физического маятника совпали с нулевым делением шкалы;

2. установить с помощью маховичка маятник в вертикальное положе-ние, при этом должно осуществляться касание шарика или нижней части физического маятника поверхности исследуемого образца при отсутствии силы нормального давления, что достигается также с помощью регулировочных опор;

3. проверить, чтобы при колебаниях шарик или физический маятник перемещались по рабочей поверхности пластины–образца.