2732

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника

Лабораторная работа

Физика

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника Цель работы: ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты трения различных пар материалов. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА На шарик, выведенный из положения равновесия, ...

Русский

2012-10-18

135 KB

23 чел.

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника

Цель работы: ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты трения различных пар материалов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На шарик, выведенный из положения равновесия, действуют следующие силы: тяжести , натяжения нити , реакции опоры  и трения  (рис.1). Под действием результирующей, являющейся геометрической суммой указанных сил , шарик совершает колебательное движение. Наличие силы трения между шариком и поверхностью качения приводит к уменьшения амплитуды колебаний шарика во времени. Работа сил трения может быть представлена в виде

где модуль силы трения Fmp =mN; путь, пройденный шариком , m - коэффициент трения; N – модуль силы реакции опоры; ; R - длина нити подвеса; α0 - начальный угол отклонения шарика; αn - конечный угол отклонения шарика; n - число полных колебаний, совершенных шариком при его движении.

Вследствие работы сил трения уменьшается механическая энергия шарика. Убыль механической энергии численно равна работе сил трения:

W0-Wn=Amp,   (2)

где W0,Wn - механическая энергия шарика в исходном и конечном состояниях.

В качестве начального и конечного состояний шарика наиболее удобно принимать положения его максимального отклонения, когда скорость движения шарика равна нулю, а механическая энергия численно равна потенциальной энергии шарика. В этом случае

Amp=П0-Пn=mg(h0-hn),   (3)

где h0, hn - начальная и конечная высота подъема шарика. Высота подъема шарика может быть выражена через угол наклона штанги β, угол отклонения шарика от положения равновесия в плоскости колебаний α и длину нити подвеса (рис.1)

h=Rcosβ(1-cosα),   (4)

В этом случае выражение (3) принимает вид

Amp=mgRcosβ(cosαn-cosα0)=

=

поскольку для малых углов (α≤5º0,09 рад) sinαα, то

и

Тогда

Сопоставляя соотношения (1) и (6), получаем выражение для коэффициента трения скольжения

где 0 и n выражены в радианах. Поскольку шкала для измерения углов 0 и n проградуирована в градусах, то рабочий вид формулы (7) имеет вид:

где углы a0 и an выражены в угловых градусах.

Установка, используемая в настоящей работе, представлена на рисунке 2 и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, верхний кронштейн 3 с панелью 4, маятник скольжения и маятник качения, которые устанавливаются на верхнем кронштейне 3 поочередно. Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами 5 и зажимом 6 для фиксации вертикальной стойки 2. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы, на которую нанесена риска, показывающая угол отклонения панели 4 от вертикального положения. Панель 4 имеет прямоугольное окно, в котором устанавливаются сменные образцы в виде пластин. В нижней части панели нанесена шкала отсчета угла отклонения маятников. С помощью винта 7 панель отклоняется от вертикального положения. Угол отклонения панели определяется с помощью шкалы 8, закрепленной в нижней части панели.

Маятник скольжения представляет собой металлический стержень 9, снабженный призматической опорой 10 и обоймой 11, в которую устанавливаются сменные образцы в виде усеченного шара.
Маятник качения представляет собой металлический шарик 12, подвешенный на капроновой нити 13. Шары являются сменными.


Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения

1) Установить угол β наклона панели 4 равным 0 градусов. Используя маятник качения в качестве отвеса, при помощи регулировочных опор основания выставить стойку установки в строго вертикальном положении. Протереть исследуемые поверхности сменных пластин, усеченные шары и шары маятника качения этиловым спиртом и вытереть насухо.

2) Установить одну из сменных пластин на панель 4. Вставить усеченный стальной шар в обойму 11 маятника скольжения сферической поверхностью наружу. Повесить маятник скольжения при помощи призматической опоры 10 на верхний кронштейн 3 таким образом, чтобы усеченный шар соприкоснулся с установленной на панель пластиной, и ось маятника была параллельна лицевой поверхности панели. При необходимости подрегулировать положение основания так, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника, но без нарушения вертикального положения стойки.

3) При помощи штангенциркуля измерить расстояние А (см. рис.2). Установить угол наклона панели β равным 2 градуса. Отвести рукой маятник в одно из крайних положений и записать начальный угол отклонения a0 по шкале отсчета угла отклонения маятника. Отпустить маятник и записать угол отклонения a при совершении маятником n полных колебаний.

4) Определить коэффициент трения скольжения по формуле:

Формула (8) верна при условии, что угол  градусам.

При установке сменной пластины из другого материала маятник
необходимо подвешивать на том же расстоянии А.

5) Снять маятник скольжения. Установить маятник качения (стальной шарик) в такое положение, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника. При заданном угле наклона панели β отклонить шарик 12 от положения равновесия на угол a0  (например, пять градусов). Записать выбранный угол. Угол наклона панели и угол отклонения шарика выбираются таким образом, чтобы шарик катался по пластине без проскальзывания. Затем без толчка отпустить маятник и с этого момента начать отсчет колебаний. После того, как маятник совершит n полных колебаний, записать угол отклонения колебания маятника a,. Определить коэффициент трения качения по формуле:

где r = 0,01 м - радиус шара.

6) Оценить погрешности косвенных измерений коэффициентов трения качения и трения скольжения по формулам:

    (10)

     (11)

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое сила нормального давления? Запишите уравнение, связывающее силу трения с силой нормального давления.

3. Какие виды трения вы знаете?

4. Чем обусловлены силы трения?

5. В каких случаях силы трения играют положительную роль?

6. В каких случаях силы трения играют отрицательную роль?

7. Как можно изменить силу трения?

 


Рис.2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65454. Змочування та контактна взаємодія металічних розплавів з титанатом барію та деякими іншими керамічними матеріалами з перовськітовою структурою 5.53 MB
  У провідних наукових центрах світу США Франція Великобританія тощо проводяться окремі поодинокі дослідження контактних властивостей металів на поверхні перовськітової кераміки зокрема BTiO3. Отже детальне вивчення явищ змочування адгезії...
65455. ПРАВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ ПОТОЧНОГО ФІНАНСОВОГО КОНТРОЛЮ ЗА ДОДЕРЖАННЯМ ПОРЯДКУ ПРОВЕДЕННЯ ГОТІВКОВИХ РОЗРАХУНКОВИХ ОПЕРАЦІЙ 149.5 KB
  У таких умовах особливого значення набуває проблема організації та функціонування системи поточного фінансового контролю за додержанням порядку проведення готівкових розрахункових операцій. Не останню роль у цьому відіграє формування досконалої системи поточного фінансового контролю...
65456. ВПЛИВ ДОМІШОК ПЕРЕХІДНИХ МЕТАЛІВ НА МЕХАНІЗМИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ В ІОННО-ЕЛЕКТРОННИХ РОЗПЛАВАХ 2.93 MB
  Рідкі метали та напівпровідники, які згідно з класифікацією ми називаємо іонно-електронними рідинами на підставі того, що їх головні властивості визначає саме поведінка іонних та електронних підсистем, належать до невпорядкованих середовищ, що набувають дедалі ширшого застосування...
65457. Проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від попадання сторонніх предметів 965 KB
  Проектування систем захисту повітрозабірників силових установок літаків від ПСП у двигун є актуальним науковим завданням що має важливе значення для забезпечення надійності силових установок безпечної експлуатації літаків і розвитку авіаційної промисловості.
65458. ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ МОНІТОРИНГУ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ШЛЯХОМ КОРЕКЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ СИЛОВИХ КІЛ 425 KB
  Один з відомих підходів діагностування роботи систем ЕП як постійного так і змінного струму ґрунтується на аналізі енергетичних процесів що відбуваються в ЕМС. Невідємними складовими сучасних вентильних приводів постійного й змінного струму є перетворювачі енергії...
65459. Цифрові системи керування намотувальними механізмами рулонних ротаційних машин 6.83 MB
  Типові системи регулювання загальнопромислового призначення не пристосовані до регулювання сил натягу і лінійних швидкостей руху смуг і стрічок друкарського матеріалу особливо при їх намотуванні на 2 4 і більше бобіни що розміщені на механічно незалежних валах НВ РРМ.
65460. Відтворювальні та продуктивні якості свиней породи дюрок внутрішньопорідного типу української селекції «Степовий» за різними методами розведення 278 KB
  В реалізації вищезазначених завдань чинне місце належить внутрішньопорідному типу свиней породи дюрок української селекції Степовий з поліпшеними відтворювальними якостями та рівнем продуктивності який був затверджений згідно...
65461. СИНТЕЗ ГВИНТОВИХ ЗАТИСКНИХ ПРИСТРОЇВ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ ТОНКОСТІННИХ ЗАГОТОВОК НА МЕТАЛОРІЗАЛЬНИХ ВЕРСТАТАХ 11.6 MB
  Окремо слід виділити гвинтові затискні пристрої ГЗП із пружними затискними елементами до яких відносяться затискні патрони та оправки із гвинтовими елементами затиску що в порівнянні із іншими є дешевшими у виготовленні та експлуатації.
65462. ПОБУДОВА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ І РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧІ ПОКРИТТЯ КОМПАКТНОЇ БАГАТОГРАННОЇ МНОЖИНИ НАБОРОМ ПРЯМИХ ПАРАЛЕЛЕПІПЕДІВ 3.26 MB
  Необхідність розробки такого наукового апарату виникає і для розвязання задач покриття що повязані з автоматизацією моделювання різних технічних систем. Задачі покриття виникають у різних галузях науки і техніки і полягають у пошуку покриття заданої області деякою множиною геометричних обєктів.