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

15411. Принципы и методы лабораторной диагностики вирусных инфекций. Ортомиксовирусы. Вирус гриппа. Биологические свойства. Патогенез и клиника гриппа. Лабораторная диагностика. Специфическая профилактика гриппа 87.5 KB
  Практическое занятие 29 Тема: Принципы и методы лабораторной диагностики вирусных инфекций. Ортомиксовирусы. Вирус гриппа. Биологические свойства. Патогенез и клиника гриппа. Лабораторная диагностика. Специфическая профилактика гриппа. 1. Принципы лабораторной ди...
15412. Возбудители дифтерии, коклюша, паракоклюша. Характеристика. Патогенез, клиника, лабораторная диагностика вызываемых заболеваний. Специфическая терапии и профилактика 46.5 KB
  Практическое занятие 24 Тема: Возбудители дифтерии коклюша паракоклюша. Характеристика. Патогенез клиника лабораторная диагностика вызываемых заболеваний. Специфическая терапии и профилактика. 1. Дифтерия Дифтерия острое инфекционное заболевание преимущ...
15413. Вирус клещевого энцефалита. Характеристика. Патогенез и клиника клещевого энцефалита. Лабораторная диагностика. Специфическая профилактика. Рабдовирусы. Вирус бешенства. Характеристика 57.5 KB
  Практическое занятие 30 Тема: Вирус клещевого энцефалита. Характеристика. Патогенез и клиника клещевого энцефалита. Лабораторная диагностика. Специфическая профилактика. Рабдовирусы. Вирус бешенства. Характеристика. Патогенез и клиника бешенства. Лабораторная диагн
15414. Сальмонеллы и сальмонеллезы. Возбудители брюшного тифа и паратифов А и В. Патогенез вызываемых заболеваний. Лабораторная диагностика. Профилактика 38 KB
  Практическое занятие 21 Тема: Сальмонеллы и сальмонеллезы. Возбудители брюшного тифа и паратифов А и В. Патогенез вызываемых заболеваний. Лабораторная диагностика. Профилактика. 1. Сальмонеллы и вызываемые ими заболевания Таксономия. Сальмонеллы относятся к се
15415. Гноеродные кокки. Стафилококки. Классификация. Биологические свойства. Роль в патологии. Лабораторная диагностика. Профилактика 35.5 KB
  Практическое занятие 18 Тема: Гноеродные кокки. Стафилококки. Классификация. Биологические свойства. Роль в патологии. Лабораторная диагностика. Профилактика. Таксономия. Стафилококки греч. staphyle виноградная гроздь kokkos зерно относятся к отделу Firmicutes семейству ...
15416. Гноеродные кокки. Стрептококки. Нейссерии. Характеристика. Роль в патологии. Лабораторная диагностика вызываемых заболеваний. Профилактика 64 KB
  Практическое занятие 19 Тема: Гноеродные кокки. Стрептококки. Нейссерии. Характеристика. Роль в патологии. Лабораторная диагностика вызываемых заболеваний. Профилактика. 1. Стрептококки Таксономия и классификация. Стрептококки от греч. streptos цепочка и kokkos зер
15417. Возбудитель туберкулеза. Биологические свойства. Патогенез и клиника туберкулеза. Принципы лабораторной диагностики. Специфическая профилактика 42.5 KB
  Практическое занятие 25 Тема: Возбудитель туберкулеза. Биологические свойства. Патогенез и клиника туберкулеза. Принципы лабораторной диагностики. Специфическая профилактика. Туберкулез лат. tuberculum бугорок инфекционное заболевание человека сопровождающееся ...
15418. Возбудители зоонозных инфекций: чумы, туляремии, бруцеллеза, сибирской язвы. Биологические свойства. Патогенез и клиника вызываемых заболеваний 61 KB
  Практическое занятие 26 Тема: Возбудители зоонозных инфекций: чумы туляремии бруцеллеза сибирской язвы. Биологические свойства. Патогенез и клиника вызываемых заболеваний. Лабораторная диагностика. Специфическая профилактика. 1. Возбудитель чумы Y. pestis Чума ...
15419. Характеристика семейства энтеробактерий. Эшерихии. Шигеллы. Биологические свойства. Классификация. Патогенез вызываемых заболеваний. Лабораторная диагностика 45.5 KB
  Практическое занятие 20 Тема: Характеристика семейства энтеробактерий. Эшерихии. Шигеллы. Биологические свойства. Классификация. Патогенез вызываемых заболеваний. Лабораторная диагностика. 1. Характеристика семейства Еnterobacteriaceae Семейство Enterobacteriaceae является о...