Физика 9. Лабораторная работа №7. Измерение коэффициента трения скольжения

 

Контрольные вопросы: 

1) Что показывает коэффициент трения скольжения?

Ответ: Для начала надо понять, что физическая величина имеет определение, может нечто характеризовать, что-то показывать, от чего-то зависеть, т.е. требуется четко различать следующие понятия в отношении физической величины: называться, показывать, характеризовать, зависеть (см. далее вопрос №3).  Итак, что же показывает коэффициент трения скольжения? Коэффициент трения скольжения определяется как отношение силы трения движущегося тела к силе давления (или к равной ей силе нормальной реакции опоры):

μ = F_тр / F_д .

            Отсюда, из определения, видно, что коэффициент трения скольжения показывает во сколько раз одна сила больше другой, точнее, какая доля от силы давления, затрачивается на преодоление трения при равномерном движении тела по горизонтальной неподвижной опоре.

           Будьте внимательны и постарайтесь понять. Для сравнения с «показывает» приведем ответ на вопрос «Что характеризует коэффициент трения?»

            Коэффициент трения характеризует свойства материалов трущейся пары тел (род материала, т.е. из чего состоят соприкасающиеся части тел, жесткости, упругости и др.) и состояние их поверхностей (качество обработки поверхностей, наличие примесей, влажности, грязи и т.п.).

            Такова наука. Как отвечать на вопрос «От чего зависит коэффициент трения скольжения?» см. далее ответ на вопрос №3.

           Замечание. Ответ на данный вопрос на страницах национального учебного пособия по физике для 9 кл. не найдем! На этот, казалось бы, простой вопрос большинство учащихся и учителей дают неправильный ответ. Поэтому после проверки лабораторной работы Вашим учителем можете сослаться на данный сайт и учителя физики  Шинкарева В.М.

 

2) Почему коэффициент трения скольжения является безразмерной величиной?

Ответ: Ответ на этот вопрос также прямо следует из определения коэффициента трения. Согласно определению, коэффициент трения представляет собой отношение однородных величин: сил. Результат этого отношения будет (считается) в метрологии безразмерной величиной. 

 

3) От чего зависит коэффициент трения скольжения? 

Ответ: Коэффициент трения скольжения зависит от: а) свойств материалов соприкасающихся поверхностей; б) качества их обработки; в) относительной скорости движения тел; г) других факторов, учесть которые возможно пока только экспериментально.            Замечание. Этот вопрос близок по смыслу к вопросу «От чего зависит коэффициент трения скольжения?» Однако, как видим, есть разница. Надо понимать, что трение – результат тонких микроскопических процессов, связанных с атомно-молекулярным строением вещества. То есть трение, как и упругость, обусловлены электромагнитным взаимодействием, однако вывести теоретически значения коэффициента трения и жесткости пока не удается! Поэтому в инженерной практике данные свойства тел рассматриваются как первичные, наряду с инерцией и гравитацией. Таким образом, формула для расчета силы трения со времени ее открытия Амонтоном в 1699 г. таит в себе еще много загадок. Достаточно вспомнить парадоксальную независимость силы трения от площади соприкасающихся поверхностей… 

 

Суперзадание: Как с помощью линейки, бруска с грузами и доски определить коэффициент трения скольжения дерева по дереву?

Ответ: Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом.

Как известно, μ_п = F_{п max}/F_д.   (1)    Пусть тело (нагруженный плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис.). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя F_п и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая F_н силы тяжести представляет собой силу давления F_д, производимого телом на опору, т. е. F_н = F_д.    (2)

 

При малых углах наклона a сила F_т уравновешивается силой трения покоя F_п и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F_д, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент

F_т = F_{п max}    (3)

Подставив в формулу (1) выражения (2) и (3), получим

μ_п=F_т/F_н       (4)

Из рис. видно, что

F_т=Fsina = mg sina;   F_н=Fcosa = mg cosa.

Подставив эти значения F_т и F_н в формулу (4), получим:

μ_п=sina/cosa=tga.    (5)

Измерение, исходя из сказанного, сводится к измерению тангенса угла tga = H/L (6), то есть катетов прямоугольного треугольника, для чего и нужна линейка. Таким образом, кладем на доску брусок, нагружаем его, и начинаем поднимать доску за один конец вверх вдоль штатива. Тангенс угла наклона доски к поверхности, при котором брусок только начинает скользить и есть коэффициент трения покоя. Это полезно запомнить! Коэффициент трения скольжения соответствует тангенсу углу, при котором брусок движется равномерно по наклонной доске. Последнее практически и будет происходить при найденном угле, так как коэффициент трения покоя практически равен коэффициенту трения скольжения. Многократно измерив и вычислив отношение средних значений H и L (см. формулу  (6)), получим искомое значение коэффициента трения.