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

66914. Театр и драматургия средневековья 46.5 KB
  Источником развития средневекового театра стали сельские игрища во время которых выделялись балагуры пересмешники нередко делавшие свое актерство профессией таких людей было принято называть гестрионами. Во Франции их называли жонглеры В России скоморохи...
66915. Правление Петра І 32 KB
  Софья планировала сместить Петра планировался заговор с целью убийства Петра. В этом же году сторонники Петра вместе с ним свергают Софью. 16971698 заграничное путешествие Петра Курляндия Польские земли Немецкие земли Голландия Великобритания на обратном пути в Австрию.
66916. Культура Московской Руси 40 KB
  Большое значение в возвышении Москвы имела удачная политика московских князей по отношению к монголотатарам. С 14 века князья демонстративно подчеркивают роль Москвы как национального лидера в борьбе с врагом. Этот храм должен был стать главной святыней Москвы.
66917. Культура и цивилизация, Теория культурогенеза 36 KB
  Второй подход характеризует цивилизацию как определённую ступень развития культуры. Первым эту точку зрения высказал Шотландский философ 18 века Адам Фергюссон в работе Опыт истории гражданского общества он разделил историю человеческой культуры на 3 стадии: дикость варварство цивилизованность.
66918. Болдинский период творчества 45 KB
  Это один из плодотворных периодов в творчестве А.С. Пушкина. Исследователи считают, что в это время в поэзии Пушкина доминируют 2 темы: тема поэта и поэзии («Румяный критик мой», «Ответ анониму»). Своеобразие этой темы заключается в том, что к традиционному видению...
66919. Опасности техносферы 175.12 KB
  К новым техносферным относятся условия обитания человека в городах и промышленных центрах производственные транспортные и бытовые условия жизнедеятельности. Практически все урбанизированное население проживает в техносфере где условия обитания существенно отличаются...
66920. Динамика антропологии как социальной науки 39 KB
  Просветительско-рационалистический идеал будущего развития культуры идея подхвачена от эпохи просвещения. Они пытались выстроить естественную историю культуры на закономерной основе пытались понять логику развития культуры. Он считал что многообразие культурных явлений можно свести к немногочисленным...
66921. МЕМБРАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 105 KB
  Для того, чтобы понять, как и почему возникает возбуждение в нервных или мышечных клетках, необходимо прежде всего уяснить основные правила обмена веществами между клеткой и окружающей её средой, поскольку ионы и небольшие молекулы одновременно растворены в водной среде клетки и во внеклеточном пространстве...