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

120 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

40818. ПРИРОДА І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТІВ 565.59 KB
  В розділі природа і фізичні властивості грунтів розглядаються інженерногеологічні дослідження фізичні і механічні властивості дисперсних середовищ а також фізикомеханічні процеси взаємодії твердої рідкої і газоподібної складових ґрунту. 4 – несучий шар ґрунту 5 – підстилаючий шар. Глибина закладення фундаменту це відстань по вертикалі між поверхнею ґрунту і підошвою фундаменту. За конструктивними і технологічними особливостями влаштування фундаменти бувають: мілкого закладення передають навантаження на основу через свою підошву і...
40819. Громадська думка як суспільно-політичний феномен 152.11 KB
  Природа громадської думки як стану масової свідомості. Особливості громадської думки про право 5. Всебічним аналізом цього соціального феномена займається соціологія громадської думки.
40820. Культура стародавнього Єгипту 36.23 KB
  Повсякденне життя єгиптян у часи великих фараонів. Переписувачі й осередки духовного життя. З висоти свого становища бог дав форму навколишньому світові вдихнув у нього повітря світло й життя вступив у двобій із силами безодні. Людство повстало примусивши Ра піднятися в небо але він продовжував зберігати порядок маат принцип істини та справедливості ним встановлений котрий став його життям.
40821. Моделі життєвого циклу та методології розробки ПЗ 451.75 KB
  Моделі життєвого циклу та методології розробки ПЗ Моделі життєвого циклу Модель життєвого циклу ПЗ структура що визначає послідовність виконання та взаємозв'язку процесів дій і завдань протягом життєвого циклу. В рамках специфічних моделей життєвого циклу які приписують правила організації розробки ПЗ в рамках даної галузі або організації визначаються більш конкретні процеси розробки. Таких моделей досить багато адже фактично кожен раз коли деяка організація визначає власний процес розробки в якості основи цього процесу розробляється...
40822. Культура Месопотамії 39.45 KB
  Культура Месопотамії Своєрідність месопотамської культури: космос як держава. Повсякденне життя жителів Месопотамії. Біля джерел біблійських сказань Якщо Стародавній Єгипет був імперією з усіма наслідками що витікали з цього то дещо інша ситуація склалася в Месопотамії Двуріччі з двома великими ріками Євфратом і Тигром які мали декілька приток Месопотамська цивілізація являла собою тип існуючої на давньому Близькому Сході сільськогосподарської' цивілізації заснованої на ірригації.' Шумери заклали основи для подальшого розвитку...
40823. Подэтапы первого этапа моделирования. Алгоритмизация моделей систем и их машинная реализация 183 KB
  Формы представления моделирующих алгоритмов Подэтапы первого этапа моделирования Рассмотрим более подробно основные подэтапы построения концептуальной модели МК системы и ее формализации см. формулировка цели и постановка задачи машинного моделирования системы. Дается четкая формулировка задачи цели и постановка исследования конкретной системы S и основное внимание уделяется таким вопросам как: а признание существования цели и необходимости машинного моделирования; б выбор методики решения задачи с учетом имеющихся ресурсов; в определение...
40824. Получение и интерпретация результатов моделирования систем 160 KB
  Подэтапы второго этапа моделирования. Получение и интерпретация результатов моделирования систем. Особенности получения результатов моделирования Подэтапы второго этапа моделирования Рассмотрим подэтапы алгоритмизации модели системы и её машинной реализации.1 Построение логической схемы модели.
40825. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ НА ЭВМ 207.5 KB
  Подэтапы третьего этапа моделирования. Общая характеристика метода статистического моделирования. Сущность метода статистического моделирования. Примеры статистического использования Подэтапы третьего этапа моделирования Прежде чем приступить к последнему третьему этапу моделирования системы необходимо для его успешного проведения иметь чёткий план действий сводящийся к выполнению следующих основных подэтапов.
40826. Псевдослучайные последовательности и процедуры их машинной генерации 239.5 KB
  Способы генерации случайных чисел Примеры статистического использования Пример 4. Структурная схема системы SD Система SD функционирует следующим образом: получается пара независимых случайных чисел интервала 0 1 определяется координата точки xi xi1 показанной на рис. Схема моделирующего алгоритма системы SP В данном моделирующем алгоритме после ввода исходных данных и реализации операторов цикла происходит обращение к генератору случайных чисел т. Отметим что во всех рассмотренных примерах не требуется запоминания всего множества...