11277

Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения с помощью наклонного маятника

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения с помощью наклонного маятника Цель работы: определение коэффициентов трения качения и трения скольжения. Оборудование: измерительная установка секу

Русский

2013-04-05

7.79 MB

54 чел.

Лабораторная работа

Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения с помощью наклонного маятника

Цель работы: определение коэффициентов трения качения и

                    трения скольжения.     

 Оборудование: измерительная установка, секундомер.

I. Теоретическая часть.

Силы трения возникают благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел, которые обусловлены взаимодействием электрических зарядов, которыми обладают частицы, входящие в состав атомов.

Силы трения скольжения появляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга и направлены так, чтобы препятствовать этому перемещению.

Силой трения покоя называется сила, возникающая на границе соприкосновения тел при попытке вызвать движение. Она направлена в сторону, противоположную направлению предполагаемого движения. Сила трения покоя равна по модулю внешней силе, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей. Максимальная сила трения покоя примерно равна силе трения скольжения.

Сила трения качения возникает между цилиндрическим или шарообразным телом, катящимся без скольжения по плоской или изогнутой поверхности. Она намного меньше силы трения скольжения.

В данной работе определение коэффициента трения качения с помощью наклонного маятника основано на измерении уменьшения его амплитуды за определенное число колебаний. Пусть 0 - максимальный угол отклонения маятника  в начальный момент движения, n - максимальное значение угла отклонения маятника после n колебаний (рис. 1а). За n колебаний полная энергия маятника уменьшается на величину . Пренебрегая работой по преодолению сопротивления среды и трения в точке подвеса маятника убыль потенциальной энергии равна работе сил трения качения.

а)      б)   

Рис. 1

,            (1)

где  – убыль потенциальной энергии,  – изменение высоты центра тяжести шарика после  колебаний в момент максимального отклонения из положения равновесия, S - путь, который проходит центр тяжести шарика за n полных колебаний.

     (2)

С течением времени происходит затухание колебаний, следовательно, значение максимального угла отклонения маятника от положения равновесия уменьшается, поэтому при расчете пути S, пройденного шариком за n колебаний берем среднее значение угла  ср.

,   (3)

где l - длина маятника. Из рис. 1б следует:

Возникновение трения качения объясняется деформациями шарика и опоры. Из условия равенства моментов сил трения качения и нормальной составляющей силы реакции опоры:

,   (4)

где - угол наклона плоскости, на которую опирается шарик массы m, подвешенный на нити, k - коэффициент трения качения, - радиус шарика. Подставив формулы (2), (3) и (4) в выражение (1):

,
откуда получаем выражение для коэффициента трения качения:

.   (5)

Определяя из рис. 1а:   , учитывая, что

, получаем:

.

Так как углы a0 и an малы:

,   (6)

подставив (6) в (5), окончательно получим:

.    (7)

Формула (7) – рабочая формула для определения коэффициента трения качения, где n - число полных колебаний, a0, an углы, выраженные в радианах.

В случае скольжения шара по поверхности опоры сила трения скольжения определяется формулой:

,

где - коэффициент трения скольжения, зависящий от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей. Так как при скольжении шара по поверхности опоры его радиус не учитывается, то коэффициент трения скольжения  можно определить по формуле:

  (8)

II. Порядок выполнения лабораторной работы:

 

ЗАДАНИЕ 1. Определение коэффициента трения скольжения ().

  1.  Подвесить маятник скольжения (1) (рис. 2) на верхнем кронштейне (2).

 

Рис. 2

Установка для определения коэффициента трения скольжения

  1.  Необходимо, чтобы указатель (3) маятника  оказался напротив нулевого деления шкалы отсчёта (4) угла отклонения маятника, но без нарушения вертикального положения стойки (5). При необходимости положение основания маятника (6)  подрегулировать винтом (7).
  2.  Установить угол наклона панели (8) по шкале (9) при помощи винта (10).     
  3.  Отвести рукой маятник в крайнее положение – это соответствует начальному углу отклонения маятника (по шкале (4)).
  4.  Отпустить маятник и записать угол отклонения  при совершении  полных колебаний. Перевести значения углов в радианную меру по формуле: .
  5.  Повторить измерения 3 раза. Все данные занести в таблицу 1.
  6.  Определить коэффициент трения скольжения по формуле:  , где .
  7.  Выполнить те же измерения для угла наклона панели . В этом случае . При этом угол отклонения  находится при совершении  полных колебаний. Все данные занести в таблицу, аналогичную таблице 1.
  8.  Сравнить коэффициенты трения скольжения при разных углах наклона панели и объяснить результат.

ТАБЛИЦА 1

№ пп

-

град.

град.

рад.

-

град.

рад.

рад.

град.

-

-

1

2

10

2

2

2

10

2

3

2

10

2

ЗАДАНИЕ 2. Определение коэффициента трения качения ()

1. Заменить маятник скольжения (1) (рис. 2) на маятник качения (11) (рис. 3).

2. Установить маятник качения (стальной шарик) в такое положение, чтобы указатель маятника (12) оказался напротив нулевого деления шкалы отсчёта угла отклонения маятника.

  1.  

Рис. 3

Установка для определения коэффициента трения качения

3. Установить угол наклона панели .

4. Отклонить шарик от положения равновесия на угол . (Угол наклона панели и угол отклонения шарика выбираются таким образом, чтобы шарик катался без проскальзывания).

5. Отпустить маятник без толчка и после совершения им  колебаний записать угол отклонения . Перевести значения углов в радианную меру.

6. Повторить измерения 3 раза. Все данные занести в таблицу, аналогичную таблице 1.

7. Определить коэффициент трения качения по формуле:  , где  - радиус шара, .

8. Выполнить те же измерения для угла наклона панели , для .

9. Сравнить коэффициенты трения качения при разных углах наклона панели и сделать вывод.

III. Контрольные вопросы:

  1.  Виды трения. Природа сил трения.
  2.  Что такое трение скольжения?
  3.  Что такое трение покоя?
  4.  Что такое трение качения?
  5.  Вывод формулы коэффициента трения качения методом  наклонного маятника.
  6.  Дайте определение коэффициента трения качения. От чего он  зависит?

IV. Техника безопасности:

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
  2.  Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать ее только на горизонтальной поверхности.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5004. Передняя подвеска автомобиля ГАЗ-53А 205.2 KB
  Передняя подвеска автомобиля ГАЗ-53А (L=1450 мм) Введение Перед автомобильной промышленностью в настоящее время стоят задачи, связанные с увеличением выпуска экономичных автомобилей с дизельными двигателями, позволяющих значительно сократить расход ...
5005. Выбор системы автоматического управления сверлильно-расточно-фрезерного станка модели 600V 100 KB
  Выбрать систему автоматического управления сверлильно-расточно-фрезерного станка модели 600V, проспект Стерлитамакского станкостроительного завода прилагается. Список сокращений САУ – система автоматического управления УЧПУ...
5006. Проект геодезического обоснования стереотопографической съемки масштаба 1:5000 302 KB
  Топографические карты, созданные в результате обработки данных топографической съемки, используют в различных областях человеческой деятельности. Без карт невозможна работа по прокладке нефтепроводов и газопроводов, строительству электрост...
5007. Экономическая система: понятие, структура, генезис 180 KB
  Экономическая система есть совокупность взаимосвязанных и определенным образом упорядоченных элементов экономики, образующих экономическую структуру общества. Вне системного характера экономики не могли бы воспроизводиться (постоянно возоб...
5008. Анализ стилевых особенностей и имиджа менеджера 309 KB
  Общество представляет собой сложную, многоуровневую, целостную и динамически развивающуюся систему. Неотъемлемым атрибутом любой системы – является управление, которое обеспечивает ее сохранение и развитие, упорядочение структуры, взаи...
5009. Возможности использования в российских условиях зарубежного опыта управления предприятием, организацией, фирмой 148.5 KB
  Возможности использования в российских условиях зарубежного опыта управления предприятием, организацией, фирмой. Теория и практика менеджмента получили широкое применение в развитых странах. В США доля менеджеров различных уровней в общей...
5010. Элементы квантовой теории. Основы атомной и ядерной физики 516.5 KB
  Введение В сборнике представлены тестовые задания закрытого типа и на соответствие по разделам Элементы квантовой теории, Основы атомной и ядерной физики, предназначенные для аудиторной и внеаудиторной самостоятельной работы студентов. Тестовые за...
5011. Загадка сверхзвезд. Квазары и радиогалактики. Незвездная материя 185.5 KB
  Загадка сверхзвезд До недавнего времени в звездной астрономии считалось, что масса звезд не может превосходить массу Солнца более чем в 100 раз. В противном случае звезда окажется неустойчивой и распадется. Однако, Хойл и Фаулер предположили, что вр...