23380

Определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника

Лабораторная работа

Физика

Орлова Определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника Методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Цель работы: экспериментальное изучение основных закономерностей возникающих при трении качения и определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника. Сплошь и рядом силы трения являются вредными. Таковы например силы трения возникающие между осью и втулкой а также между другими деталями машины.

Русский

2013-08-05

2.35 MB

117 чел.

PAGE  - 13 -

Московский государственный технический

университет им. Н. Э. Баумана.

Калужский филиал.

Т.С. Китаева, Н.А. Орлова

«Определение коэффициента трения

качения методом наклонного маятника»

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 12

по курсу механики, молекулярной физики и термодинамики.

Калуга 2006 г.

Техника безопасности при  работе с наклонным маятником FPM-07.

При работе с наклонным маятником FPM-07 необходимо соблюдать общие правила по технике безопасности труда, касающиеся устройств, в которых имеются напряжения до 200 .

Прибор разрешается эксплуатировать только при использовании заземления.

Цель работы: экспериментальное изучение основных закономерностей, возникающих при трении качения, и определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника.

1. Теоретическая часть.

Сплошь и рядом силы трения являются вредными. Таковы, например, силы трения, возникающие между осью и втулкой, а также между другими деталями машины. Они приводят к преждевременному износу машин, и с ними приходится бороться. Для этой цели применяется смазка. Однако более радикальным способом уменьшения сил трения являемся замена трения скольжения трением качения (шарикоподшипники).

Под трением качения понимают трение, возникающее, например, между шарообразным или цилиндрическим телом, катящимся без скольжения по плоской или изогнутой поверхности. Трение качения формально подчиняется тем же законом, что и трение скольжения. Однако коэффициент трения при качении значительно меньше, чем при скольжении.

Возникновение трения качения можно объяснить деформациями шара и плоскости, имеющими место в реальных условиях. При этом могут возникать как упругие, так и пластические деформации. Из-за деформации поверхностей линия действия силы реакции  не совпадает с линией действия силы нормального давления , действующей на опору со стороны катящегося тела, т.е. с линией действия силы веса тела (Рис. 1.). Нормальная составляющая  этой силы реакции к плоскости численно практически равна силе , а горизонтальная составляющая представляет собой силу трения качения . Если цилиндр или шар движется по плоскости без ускорения, должно выполняться правило равенства моментов. Момент силы трения качения относительно точки  равен произведению силы нормальной реакции опоры , на расстояние смещения  вследствие контактных деформаций точки приложения:

                                                                                                                   (1)

где  - плечо силы , ;

      - радиус тела.

Отсюда, для силы трения качения получаем следующее выражение

                                                                                                                     (2)

Величину  называют коэффициентом трения качения. Коэффициент трения качения, таким образом, представляет собой плечо силы  и имеет размерность длины.

В данной работе коэффициент трения качения шара по плоскости определяется методом наклонного маятника. В этом случае маятник представляет шарик, подвешенный на нити и катящийся по наклонной плоскости; затухание этого маятника обусловлено главным образом трением качения.

Расчетная формула для коэффициента трения качения имеет следующий вид

                                                                                                      (3)

где  - радиус шара;

       - угол наклона маятника, прочитанный на боковой шкале;

       - число колебаний;

       - начальное значение угла отклонения маятника;

       - угол отклонения через  колебаний.

Вывод формулы (3) смотрите в приложении на стр. 11 и 12.

2. Экспериментальная часть.

2.1. Описание установки.

Прибор «Наклонный маятник FPM-07» представлен на Рис. 2. на странице 8.

К основанию 2, оснащенному четырьмя ножками с регулируемой высотой, прикреплен миллисекундомер 1 (FPM-14). В основании закреплена труба 3, на которой смонтирован корпус 4 с червячной передачей. Посредством оси червячная передача соединена с кронштейном 5, на котором прикреплена шкала I (6) и шкала II (7). В кронштейне закреплена колонка 8, на которой подвешен на нити шар с указателем 9. В кронштейн 5 по направляющим вставляются образцы 10.

Для наклонения маятника используется маховичок 11. К кронштейну 5 привинчен фотоэлектрический датчик 12. Шары заменяются путем отвинчивания шара от указателя и навинчивания нового. Фотоэлектрический датчик соединен с миллисекундомером разъемом ZKI.

Вид лицевой панели и задней стенки миллисекундомера FPM-14 представлен на Рис. 3.

2.2. Подготовка установки к работе.

1. Установить в кронштейн 5 по направляющим исследуемый образец.

2. Произвести выравнивание прибора при помощи ножек основания таким образом, чтобы нить подвеса маятника совпала с нулевым делением шкалы; установить угол наклона образца 45 .

3. Подключить миллисекундомер FPM-14 к сети (220 В).

4. Отклонить маятник на некоторый небольшой угол.

5. Нажать кнопку «Сеть».

6. Проверить, все ли индикаторы измерителя высвечивают цифру нуль, и светится ли лампочка фотоэлектрического датчика.

7. Нажать кнопку «Сброс».

8. Плавно отпустить маятник. Убедиться, что маятник совершает колебательные движения, а миллисекундомер производит отсчет времени и количества полных периодов колебаний маятника. Указатель, должен пересекать световой поток фотоэлектрического датчика. Длина маятника регулируется вращением маховичка верхнего кронштейна 13.

9. После совершения маятником нескольких колебаний нажать на кнопку «Стоп» и убедиться, что счет времени и количества полных периодов колебаний прекращается в момент окончания очередного колебания маятника.

10. Для повторения эксперимента повторить пункты 4, 7, 8 и 9.

11. Выключить установку, нажав на кнопку «Сеть».

3. Выполнение эксперимента.

1. Отклонить маятник на угол  (Рис. .).

2. Нажать кнопку «Сеть». Прибор готов к работе непосредственно после подключения сетевого напряжения и не нуждается в нагреве.

3. Нажать на кнопку «Стоп» миллисекундомера при достижении амплитуды колебаний маятника . Снять показания миллисекундомера о количестве полных колебаний маятника.

4. Повторить эксперимент 10 раз.

5. Результаты эксперимента занести в таблицу № 1 .

Таблица № 1.

Образец № 1, шарик № 1

1

2

10

6

6

6

6. Аналогичные измерения произвести для углов наклона образца 30  и 60 . Результаты эксперимента занести в таблицу № 2, аналогичную таблице № 1.

7. Заменить образец и произвести измерения для нового образца.

8. Вычислить  по формуле (3).

9. Окончательный результат эксперимента для каждого образца представить в виде

                                                                                                                  (4)

Чтобы рассчитать , воспользуемся выражением для полуширины доверительного интервала результата косвенных измерений:

Подставляя значение , определенное по формуле (3), получим

                                          (5)

где ,  и  - абсолютные погрешности прямых измерений ,  и .

Преобразуем выражение (5) к виду, удобному для вычислений:

Абсолютные погрешности , ,  и  принять равными цене деления соответствующих шкал.

4. Литература.

1. И.В. Савельев. «Курс общей физики». Т. 1. «Наука», М. 1977, М. 1982. Глава II. § 15 «Силы трения».

2. Д.В. Сивухин. «Общий курс физики». Т. 3. «Наука». М. 1983.

3. И.В. Савельев. «Курс общей физики в пяти книгах». М. Астрель. А.С.Т. 2003.

Рис. 1. К вопросу о возникновении силы трения качения.

Рис. . К выводу расчётной формулы (3).

Рис. 2. Наклонный маятник FPM-07 (Вид спереди.).

Рис. 3. Универсальный миллисекундомер FPM-14. Лицевая панель и задняя стенка.

Рис. 4. Наклонный маятник FPM-07 (Общий вид.).

5. Приложение.

Вывод формулы (3) по Рис. 1'.

Шарик 1, подвешенный на нити длиной , опирается на наклонную плоскость, угол наклона которой можно изменять. Если вывести шарик из положения равновесия, он будет катиться по плоскости, и его движение примет характер затухающих колебаний. Коэффициент трения качения с помощью наклонного маятника определяют путем измерения уменьшения амплитуды его колебаний за определенное число периодов.

За  периодов колебаний маятника шарик переходит из положения B в положение B'. При этом маятник теряет энергию , равную работе, затраченной на преодоление сил сопротивления при изменении угла отклонения маятника на величину , где  - длина дуги, которую описывает шарик.

                                                                                                             

где  - работа, затраченная на преодоление силы трения качения;

     ;

      - работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления среды и трения в подвесе маятника;

      - изменение положения центра тяжести маятника.

Пренебрегая  ввиду ее малости, имеем

                                                                                                             

Из геометрических соображений (Рис. .) найдем

Подставив  и  в выражение , получим

                                                                                           

где  - радиус шара;

     ;

      и  - амплитудные значения угла отклонения маятника от положения равновесия в начальный момент и через  полных колебаний, соответственно.

Из выражения  определяем коэффициент трения качения:

                                                                                    

Путь, который проходит центр тяжести маятника за  полных колебаний, равен:

                                                                                                                 

где .

При малых углах  и , учитывая, что , получим:

                                                                                                      (3)

где  и  - выраженные в радианах углы отклонения маятника в начальный и конечный моменты наблюдения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27357. Учебная деятельность как ведущая в младшем школьном возрасте 23.74 KB
  Давыдова учебная деятельность один из видов деятельности школьников и студентов направленный на усвоение ими посредством диалогов и дискуссий теоретических знаний и связанных с ними умений и навыков в таких сферах общественного сознания как наука искусство нравственность право и религия. Концепция учебной деятельности является в психологии одним из подходов к процессу учения реализующим положение об общественноисторической обусловленности психического развития. Она сложилась на базе основополагающего диалектикоматериалистического...
27358. Формирование учебной мотивации у младших школьников 22.96 KB
  Учебная мотивация определяется как частный вид мотивации включенный в определенную деятельность в данном случае деятельность учения учебную деятельность. Матюхина выделяет две основные группы мотивов: Мотивы заложенные в самой учебной деятельности: Мотивы связанные с содержанием учения: ученика побуждает учиться стремление узнать новые факты овладеть знаниями способами действий проникнуть в суть явлений и т. Мотивы связанные с самим процессом учения: ученика побуждает учиться стремление проявлять интеллектуальную активность...
27359. Концепции развивающего обучения 18.79 KB
  Основы теории развивающего обучения были заложены Л. Занкова было предпринято масштабное экспериментальное исследование по изучению объективных закономерностей и принципов обучения. Усилия исследователей были направлены на разработку дидактической системы обучения младших школьников имеющей целью их общее психическое развитие.
27360. Психологические основы проблемного обучения 21.31 KB
  История проблемного обучения начинается с введения так называемого исследовательского метода многие правила которого были разработаны Джоном Дьюи. В XX столетии идеи проблемного обучения получили интенсивное развитие и распространение в образовательной практике. В зарубежной педагогике концепция проблемного обучения развивалась под влиянием идей Дж.
27361. Исследовательское обучение в начальной школе 24.68 KB
  Главная особенность исследовательского обучения – активизировать учебную работу детей придав ей исследовательский творческий характер и таким образом передать учащимся инициативу в организации своей познавательной деятельности. Если задачи исследовательского обучения свести к поощрению учащегося проявлять природную любознательность задавать вопросы и стараться самостоятельно находить на них ответы то оказывается что мы отстаиваем лишь то о чем давно говорили и что даже осуществляли на практике многие талантливые педагоги прошлого....
27362. Эмоции и чувства 21.82 KB
  С поступлением в школу максимум эмоциональных реакций приходится не столько на игру и общение сколько на процесс и результат учебной деятельности удовлетворение потребностей в оценке и добром отношении окружающих.Воля обнаруживает себя в умении совершать действия или сдерживать их преодолевая внешние или внутренние препятствия в формировании дополнительных мотивовстимулов к слабомотивированной деятельности.Волевое действие школьника развивается в том случае если: цели которых он должен достигнуть в деятельности им поняты и осознаны;...
27363. Личность в психологии. Характер человека 25.5 KB
  Индивидуальность проявляется в чертах темперамента характера привычках преобладающих интересах в качествах познавательных процессов восприятия памяти мышления воображения в способностях индивидуальном стиле деятельности и т. Характер – это совокупность устойчивых индивидуальных особенностей личности складывающаяся и проявляющаяся в деятельности и общении обусловливая типичные для индивида способы поведения. Экстровертный тип – эмоциональная взвинченность жажда общения и деятельности зачастую безотносительно к ее необходимости и...
27364. Самосознание в психической деятельности человека 25.89 KB
  Самосознание в психической деятельности человека выступает как сложный процесс опосредованного познания себя развернутый во времени связанный с движением от единичных ситуативных образов через интеграцию подобных ситуативных образов в целостное образование понятие собственного Я. Во всех видах деятельности и поведения эти отношения следуют за отношением к ситуации предмету и средствам деятельности к другим людям. Они наиболее тесно связаны с целями жизни и деятельности ценностными ориентациями установками; выполняя функцию...
27365. Восприятие 19.51 KB
  В отличие от ощущений отражающих лишь отдельные свойства предметов в образе восприятия в качестве единицы взаимодействия представлен весь предмет в совокупности его инвариантных свойств. Образ восприятия выступает как результат синтеза ощущений возможность которого по мнению А. При этом особенно важную роль во всех видах восприятия играют двигательные или кинестезические ощущения которые регулируют по принципу обратной связи реальные взаимоотношения субъекта с предметом. Также в процессе слухового восприятия активную роль играют...