Определение коэффициентов трения скольжения, покоя

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментально проверить закон трения Кулона-Амонтона, экспериментально определить величину коэффициентов трения скольжения, покоя.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: трибометр, секундомер, разновески, набор брусков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Студентам необходимо:

– изучить оборудование к работе;

– экспериментально проверить закон трения Кулона-Амонтона;

– экспериментально определить величину коэффициента трения скольжения при равноускоренном движении тела по горизонтальной поверхности;

– экспериментально определить величину коэффициента трения покоя методом предельного угла;

– результаты измерений и вычислений оформить в виде таблиц;

– на основании полученных результатов сделать выводы;

– записать свои замечания об особенностях данного эксперимента, предложения по его совершенствованию.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ОПЫТА

Для определения коэффициента трения служит прибор, называемый трибометром. Одна из поверхностей, между которыми должно происходить трение, укрепляется на трибометре в виде прямоугольной доски. Другая – поверхность деревянного или металлического бруска.

Силой, преодолевающей силу трения и сообщающей бруску ускорение, является вес груза (рис. 6.1).

Согласно второму закону Ньютона можно записать

, (6.1)

где – масса бруска и подвешенного груза, а – ускорение системы,  м/с² – ускорение свободного падения, – сила трения скольжения.

Ускорение а можно найти, зная пройденный путь и время:

, (6.2)

. (6.3)

Следовательно, сила трения с учетом (6.1) и (6.3) равна

. (6.4)

Коэффициент трения скольжения k определяется согласно формуле

, (6.5)

где N – сила нормального давления.

При движении по горизонтальной поверхности она равна весу бруска, т. е.

, (6.6)

Рис. 6.1. Определение коэффициента трения скольжения

с помощью трибометра.

Рис. 6.2. Определение коэффициента трения покоя

методом предельного угла.

Таким образом, используя соотношения (6.4) – (6.6), для коэффициента трения скольжения k можно окончательно записать

, (6.7)

Для определения коэффициента трения покоя  можно воспользоваться методом предельного угла. Если два тела, для которых нужно измерить , положить одно на другое и затем наклонять их (рис. 6.2), то при угле наклона верхнее тело начнет скользить по нижнему. Угол называется предельным углом. Зная предельный угол наклона , легко подсчитать величину нормальной N и тангенциальной составляющих силы, действующей со стороны верхнего тела на нижнее

, (6.8)

, (6.9)

. (6.10)

ЗАДАНИЕ № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Установите прибор горизонтально (при помощи уровня). Поместите взвешенный брусок на трибометр, нагрузите чашку, чтобы груз пришел в движение, измерьте время движения бруска и пройденный путь, найдите коэффициент трения k.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 6.1. Опыты и измерения повторите 5 раз.

Табл. 6.1

№

s

t

k

Оценка абсолютной погрешности косвенного измерения коэффициента трения скольжения k проводится согласно формуле:

, (6.11)

где , , s и t – средние значения масс бруска и груза, пути и времени соответственно, и – абсолютные погрешности прямых измерений соответствующих величин (погрешностью измерения массы можно пренебречь).

Повторите опыт с другой парой тел.

ЗАДАНИЕ № 2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МЕТОДОМ ПРЕДЕЛЬНОГО УГЛА

Положите брусок на доску трибометра, установленную горизонтально. Медленно наклоняя доску, заметьте угол , при котором верхнее тело начинает скользить по нижнему. Согласно (6.10) вычислите коэффициент трения .

Результаты измерений и вычислений занести и таблицу 6.2. Опыты и измерения повторить 5 раз.

Табл. 6.2

№



Оценка абсолютной погрешности косвенного измерения коэффициента трения покоя  проводится согласно формуле:

, (6.12)

где – абсолютная погрешность прямого измерения предельного угла , выраженная в радианах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какова физическая сущность трения?

2. Назовите виды внешнего (сухого) трения.

3. В чем отличие сухого трения от жидкого?

4. Напишите формулы, определяющие силы трения скольжения, качения.

5. Укажите значение сил трения в природе и технике.

6. Решите одну из задач (см. задачи для самостоятельного решения) по выбору преподавателя.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. На наклонной плоскости длиной 13 м и высотой 5 м лежит груз массой 26 кг. Коэффициент трения равен 0,5. Какую силу надо приложить к грузу вдоль плоскости, чтобы втащить груз? Чтобы стащить груз?

2. Автомобиль массой 4 т движется в гору с ускорением 0,2 м/с². Найти силу тяги, если уклон равен 0,02 и коэффициент сопротивления 0,04.

3. Брусок массой 400 г под действием груза массой 100 г (см. рис. 6.3) проходит из состояния покоя путь 8 см за 2 с. Найти коэффициент трения.

Рис. 6.3

4. По наклонной плоскости с углом наклона a к горизонту, равным , скользит тело. Определите скорость тела в конце третьей секунды от начала движения, если коэффициент трения 0,15.

5. На столе лежит деревянный брусок, к которому привязаны нерастяжимые и невесомые нити, перекинутые через блоки, укрепленные на краях стола (см. рис. 6.4). К свободному концу правой нити подвешен груз, на который действует сила тяжести  Н, а к свободному концу другой – подвижный невесомый блок, через который перекинута нерастяжимая и невесомая нить, к концам которой подвешены грузы с массами  кг и  кг. Вся система приходит в движение, и за время  с брусок проходит путь  м. Определить ускорение каждого тела, коэффициент трения скольжения бруска о стол и силу натяжения каждой из нитей. Масса бруска  кг.

Рис. 6.4

6. По наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол , движется тело массой  кг. Это тело с помощью нерастяжимой и невесомой нити, перекинутой через блок, соединено с подвижным блоком. Через блок перекинута вторая нить с двумя грузами  кг и  кг на ее концах (см. рис. 6.5). За 1,6 с тело m с момента начала движения системы переместилось вдоль наклонной плоскости на 0,8 м. Определить ускорение тела m и грузов и , коэффициент трения скольжения тела по наклонной плоскости, пути, пройденные грузами и , силу, действующую на неподвижный блок.

Рис. 6.5

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Детлаф, А. А. Курс физики / А. А Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высшая школа, 2002.

2. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М.: Высшая школа, 2001.

3. Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В.Савельев. – Наука, 1998.

4. Гершензон, Е. М. Курс общей физики Механика. / Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов. – М.: Просвещение, 1979.

5. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Механика / Д. В. Сивухин. – М.: Наука, 1979.

6. Александров, Н. В. Курс общей физики. Механика / Н. В.Александров,  А. Я. Яшкин. – М.: Просвещение, 1978.

7. Архангельский, М. М. Курс общей физики. Механика / М. М. Архангельский. – М.: Просвещение, 1975.

8. Билимович, Б. Ф. Законы механики в технике / Б. Ф. Билимович. – М.: Просвещение, 1975.

9. Александров, В. Н. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике / В. Н. Александров и др.; Под ред.  Е. М. Гершензона и А. Н. Мансурова. – М.: Академия, 2004.

10. Майсова, Н. Н. Практикум по курсу общей физики. Механика / Н. Н. Майсова. – М.: Высшая школа, 1970.

11. Кортнев, А. В. Практикум по физике. Механика / А. В. Кортнев, Ю. В. Рублев, А. Н. Куценко. – М.: Высшая школа, 1963.

12. Царев, А. С. Задания по курсу общей физики. Кинематика / А. С. Царев.– Таганрог, 1984.

13. Трофимова, Т. И. Сборник задач по курсу физики / Т. И. Трофимова.– М.: Высшая школа, 2003.

14. Волькенштейн, В. С. Сборник задач по общему курсу физики / В. С. Волькенштейн. – СПб.: СпецЛит, 2002.

15. Рымкевич, А. П. Сборник задач по физике: Для 9–11 кл. общеобразоват. учреждений / А. П. Рымкевич. – М.: Просвещение, 1996.

16. Чертов, Л. Г. Задачник по физике / Л. Г. Чертов,  А. А. Воробьев. – М.: Высшая школа, 1988.

17. Иродов, И. Е. Задачи по общей физике / И. Е. Иродов.– М.: Наука, 1988.