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

26400. Законы биологического развития. Онтогенез и филогенез 21 KB
  Закон взаимосвязи организма и внешней среды закон целостности и неделимости организма: целостность биологических систем поддерживается в процессе развития за счёт интеграции систем закон экономии биоматериала и места основной биогенетический закон Геккель филогенез определяет онтогенез. Филогенез phylon род племя исторический путь развития вида. дифференциации: в процессе развития организма органа ткани или клетки однородные структуры разделяются на обособленные отличающиеся друг от друга части благодаря чему меняются формы...
26401. Застенные железы тонкой кишки 24 KB
  Выводной проток ductus pancreaticus открывается в 12перстную кку: лошадь: объединяется вместе с печёночным протоком в фатеров дивертикул; свинья КРС: расстояние между печёночным и панкреатическим протоками 35 см; собака: может быть несколько добавочных протоков. и вегетативное печёночное нервное сплетение и выходит общий печёночный проток и лимфатические сосуды в воротах лимфоузел. Пузырный проток соединяется с печёночным образуя желчный проток который идёт в 12перстную кишку. Отток лимфы в поясничную истерну грудной лимфатический...
26402. Зев (fauces) 20.5 KB
  Образован мягким нёбом сверху корнем языка снизу и по бокам небноязычными дужками arcus palatoglossus в виде складок слизистой оболочки соединяющих мягкое нёбо с боковыми поверхностями корня языка. В составе кольца язычная миндалина tonsilla lingualis в виде углублений слизистой с лимфатическими фолликулами в корне языка непарная нёбная миндалина tonsilla veli palatini на основании мягкого нёба у лошадей и свиней парные нёбные tonsilla palatina по бокам от нёбноязычных дужек и миндалины евстахиевых труб у их оснований.
26403. Зейгоподий грудной конечности и локтевой сустав 22.5 KB
  Последняя находится в редуцированном состоянии Зейгоподий и стилоподий формируют локтевой сустав art. Иннервация: из плечевого сплетения plexus brachialis которое образовано вентральными ветвями смешанных спинномозговых 5 6 7 8 шейных нервов и первых двух грудных: лучевой поверхностныйкожу и глубокий иннервирует только разгибатели локтевой срединный межкостный.
26404. Зейгоподий тазовой конечности и коленный сустав 22.5 KB
  Они формируют с бедренной костью самый сложный сустав в организме коленный art. Сустав характеризуется большим количеством внутрисуставных связок крестовидные менискоберцовые менискобедренная межменисковая. К этому суставу относится коленная чашка patella которая представляет из себя сесамовидную кость которая развилась в сухожилии четырехглавого мускула бедра.
26405. Зубы — dentes 24.5 KB
  В короткокоронковых зубах обозначают следующие части: а коронку возвышающуюся над десной. Эмаль самая твердая ткань зуба содержит 95 минеральных веществ устойчива к воздействию химических веществ корма и к механическим воздействиям. Под эмалью находится дентин костная ткань зуба с канальцами. Цвет дентина темноватый; б шейка зуба на месте перехода коронки в корень зуба.
26406. Классификация, строение, топография мышц 20.5 KB
  пластинчатые в области туловища шеи прикрепляют грудную конечность к туловищу брюшные стенки; 2. В их составе тонкие и длинные мышечные волокна область туловища и поясов конечностей; 2. В области туловища на поверхности блестящее сухожильное зеркало; 3.
26407. Кожный покров: строение, назначение, классификация производных 20.5 KB
  В общий кожный покров integumentum communis входят кожа cutis и её производные. Эпидермис образует производные кожи является многослойным плоским ороговевающим эпителием выполняет защитную и нейросенсорную функции. Дерма содержит производные эпидермиса выполняет опорную трофическую и иммунологическую функции. Производные кожного покрова: роговые волосы рога мякиши копыто копытце коготь и железистые обычные: потовые сальные; молочные: вымя множественное вымя специфические: пахучие защитные сигнальные параанальные и др.
26408. Концевой мозг (telencephalon) 21.5 KB
  В ней заложены центры НД. Кора гирифицирована и условно делится на доли: затылочные высшие зрительные центры лобные высшие двигательные центры теменные чувствительные центры височные слуховые центры. Под корой белое вещество плаща который образует проводящие пути 3 типов: коммисуральные полушария между собой мозолистое тело ассоциативные центры в 1 полушарии проекционные кора с подкоркой и спинным мозгом.