37945

НАКЛОННЫЙ МАЯТНИК

Лабораторная работа

Физика

Изучение силы трения качения. Определение коэффициента трения качения. Со стороны поверхности на тело действует сила трения FТР. Тело скользит по поверхности со скоростью на него действует сила трения совершающая отрицательную работу вследствие чего полная механическая энергия системы уменьшается т.

Русский

2013-09-25

252 KB

15 чел.

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………..4

3. Экспериментальная часть…………………………………………….6

3.1. Описание установки…………………………………………………8

3.2. Требования по технике безопасности……………………………...9

3.3. Порядок выполнения работы……………………………………...10

4. Контрольные вопросы………………………………………………..11

Список литературы……………………………………………………..11


ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА № 14

НАКЛОННЫЙ МАЯТНИК

1. Цель работы

1.1. Изучение силы трения качения.

1.2. Определение коэффициента трения качения.

2. Теоретическая часть

Рассмотрим движение шара массой m и моментом инерции Jc по горизонтальной поверхности под действием силы F(x), приложенной к центру масс С, причем предположим, что тело и поверхность абсолютно жесткие, т.е. тело не деформируется, а касается поверхности в одной точке О (рис. 2.1.).

Рис. 2.1.

Со стороны поверхности на тело действует сила трения FТР. Точки шара участвуют в двух видах движения: центр масс С движется поступательно вдоль оси х, точки поверхности шара вращаются вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр масс.

Уравнение движения шара на основе законов поступательного и вращательного движения имеют вид:

,                                        (2.1)

,                                                    (2.2)

где – ускорение центра масс; – угловое ускорение шара;           М – момент сил, действующих на тело, относительно оси, проходящей через центр масс; – момент инерции шара относительно оси, проходящей через точку С. Момент силы F относительно точки С равен нулю, следовательно:

.                                       (2.3)

По определению, , , где ω–угловая скорость;              υс – линейная скорость центра масс.

Предположим, что шар движется по поверхности со слабым проскальзыванием. В этом случае скорость точки касания (точки О  на рис. 2.1), являющейся скоростью проскальзывания, будет равна

,                                              (2.4)

причем .

Тело скользит по поверхности со скоростью , на него действует сила трения, совершающая отрицательную работу, вследствие чего полная механическая энергия системы уменьшается, т.е.

,                                         (2.5)

где Е полная механическая энергия равная

.                              (2.6)

Продифференцировав последнее соотношение и учитывая, что  и что , получим

.

Оно аналогично уравнению движения материальных точек

,

m* – масса, равная

,

а  – сила трения качения:

.                                      (2.7)

На практике часто реализуется случай, когда сила трения качения не зависит от скорости тела. В этом случае скорость проскальзывания пропорциональна скорости тела, т.е.

   и    .                        (2.8)

Обычно коэффициент пропорциональности.

Сила трения скольжения определяется силой нормальной реакции опоры N и коэффициентом трения скольжения μ:

.

Учитывая (2.8), получим для силы трения качения

,                                (2.9)

где  – коэффициент трения качения.

3. Экспериментальная часть

В данной работе коэффициент трения качения определяется при изучении движения наклонного маятника. Наклонный маятник представляет собой закрепленный на длинной тонкой нити шар, который может кататься по наклонной плоскости (рис. 3.1, а). Если шар вывести из положения равновесия (ось ОО /)  на угол α и затем отпустить, то он будет колебаться, катаясь около положения равновесия. Из-за трения колебания будут затухающими. Получим формулу, связывающую уменьшение амплитуды колебаний с коэффициентом трения скольжения μ.

При максимальном отклонении маятника от положения равновесия его скорость становится равной нулю, следовательно, и кинетическая энергия тоже будет равна нулю. Эти точки называются точками поворота. В них маятник останавливается, поворачивается и движется обратно. В точках поворота полная механическая энергия маятника равна его потенциальной энергии. Как указывалось выше, из-за трения происходит диссипация механической энергии. Уменьшение потенциальной энергии от одной точки (А) до другой точки (В) (рис. 3.1) равна работе силы трения на пути АВ. Пусть в точке А нить маятника составляет угол α с осью ОО /, а в точке В – угол (α-Δα), т.е. за половину периода угол отклонения маятника уменьшился на Δα. Точка В расположена ниже точки А, поэтому потенциальная энергия в точке В меньше, чем в точке А. Потеря высоты за половину периода составляет Δh, следовательно, изменение потенциальной энергии равно

.                                               (3.1)

Определим Δh. Спроектируем точки А и В на ось ОО / (рис. 3.1, в), получим соответственно точки А /, В /.

Рис. 3.1

Из рис. 3.1. а) видно, что

,                   (3.2)

где l – длина нити.

Из рисунка 3.1, б) следует, что

.

С учетом (3.2) последнее соотношение подставляем в (3.1):

                  .               (3.3)

С другой стороны, изменение потенциальной энергии равно работе сил трения

;      ,                              (3.4)

где   – длина дуги АВ

,                                        (3.5)

N – сила нормальной реакции

.                                            (3.6)

После подстановки формул (3.4) – (3.6) в выражение (3.3) и математических преобразований, получим для коэффициента трения

,                                      (3.7)

откуда

.                         (3.8)

Если подобрать амплитуду α так, чтобы выполнялось условие

,                                         (3.9)

то                                        .                                           (3.10)

Условие (3.9) выполняется в данной установке при  α ≈ 10-2 рад.

Формула (3.10) определяет потерю амплитуды α за время, равное половине периода, т.е. за половину колебания. Понятно, что за одно полное колебание потеря будет в два раза больше, а за n колебаний в 2 n раз больше, т.е.

,

откуда

.                                          (3.10)

3.1. Описание установки

На рисунке 3.2. представлен общий вид установки.

К основанию (2), оснащенному четырьмя ножками с регулируемой высотой, прикреплен миллисекундомер (1). 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 (6) и шкала II (7). В кронштейне закреплена колонка (8), на которой подвешен на нити шар (9) с водилкой. В кронштейн (5) по направляющим вводятся образцы (9).

Для наклонного маятника используется вороток (11). К кронштейну (5) привинчен фотоэлектрический датчик (12), соединенный с миллисекундомером.

Рис. 3.2

 3.2. Требования по технике безопасности

1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомитесь с описанием установки и назначением отдельных ее частей (рис. 3.2).

2. Проверьте, подключен ли фотоэлектрический датчик к входному гнезду миллисекундомера.

3. Не оставляйте установку во включенном состоянии длительное время без присмотра.

4. Закончив измерения, отключите установку от сети, нажав переключатель «Сеть» и выдернув шнур из розетки сетевого напряжения.

3.3. Порядок выполнения работы

1. Включив шнур прибора в питающую сеть, нажмите переключатель «Сеть» и установите миллисекундомер в начальное состояние кнопкой «Сброс».

2. Установите наклонную плоскость под углом β = 30°. Отведите маятник на угол α0 = 8°, отпустите и, когда амплитуда колебаний уменьшится до αn = 6°, прекратите измерения кнопкой «Стоп».

Вычислите коэффициент трения качения по формуле (3.10)

,

где n – число полных колебаний, а углы α0 и αn взяты в радианах.

3. Повторите эксперимент два раза, взяв за α0 сначала 7°, затем 6° и для αn соответственно 5° и 4°.

4. Установите наклонную плоскость под углами 45° и 60° и повторите измерения (пункты 2, 3).

5. Результаты опытов занесите в таблицу.

6. Вычислите относительную и абсолютную погрешности измерения коэффициента трения качения.

7. Запишите результат измерения коэффициента трения качения в виде

.

Β, град.

α0, град.

αn, град.

Δα, рад.

n

μ

μср

30

8

7

6

6

5

4

45

8

7

6

6

5

4

60

8

7

6

6

5

4

 

4. Контрольные вопросы

1. Какой вид имеет уравнение движения шара, катящегося без проскальзывания по абсолютно твердой поверхности?

2. Как записывается полная механическая энергия катящегося шара?

3.Покажите, что при движении шара с проскальзыванием происходит диссипация полной механической энергии.

4. Какая физическая величина называется силой трения качения? Каким соотношением она определяется?

5. Каков физический смысл коэффициента трения качения?

6. Как зависит коэффициент трения качения от угла наклона плоскости к горизонту?

Список литературы

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 1. Механика. – М.: Наука, 1989.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

9


С
 

m

О

О /

О

В

В /

Δα

α

А

А /

β

а)

Δh

β

А /

  Δl

В /   

б)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28361. Наследование по закону: понятие и общие положения 14.01 KB
  Дети супруг и родители наследодателя.Внуки наследодателя и их потомки наследуют по праву представления. Полнородные и неполнородные братья и сестры наследодателя его дудушка и бабушка как со стороны отца так и со стороны матери.и сестры родителей наследодателя.
28362. Обязательные наследники: понятие, категории обязательных наследников, размер доли 14.52 KB
  1149 ГК РФ определяет понятие права на обязательную долю в наследственном имуществе т. Право на обязательную долю вопервых не допускает исключения управомоченного лица из числа наследников на основании завещания вовторых не допускает снижения размера доли данного наследника ниже установленного минимума. Право на обязательную долю в наследстве удовлетворяется из оставшейся незавещанной части наследственного имущества даже если это приведет к уменьшению прав других наследников по закону на эту часть имущества а при недостаточности...
28363. Понятие, способы и сроки принятия наследства. Наследственная трансмиссия 14.62 KB
  Понятие способы и сроки принятия наследства. Со дня открытия наследства у наследников появляется право наследования. По своей правовой природе принятие наследства является односторонней сделкой в которой выражается воля наследника по поводу приобретения наследства. Принятие наследником части наследства означает принятие всего причитающегося ему наследства.
28364. Отказ от наследства: понятие, способы и срок отказа. Приращение наследственных долей 14.82 KB
  Отказ от наследства: понятие способы и срок отказа. После открытия наследства у наследника возникает право на принятие наследства. Наследник на свое усмотрение может им воспользоваться а может и совершить отказ от принятия наследства. Если наследник не желает принять наследство или желает от него отказаться то возможен вариант отказа от наследства который влечет за собой так называемое отречение от наследства.
28365. Раздел наследства. Преимущественное право, его реализация 14.85 KB
  Для этого в наследственном праве предусмотрен раздел имущества оставленного наследодателем после его смерти. Раздел имущества может быть осуществлен по письменному соглашению наследников или если между наследниками не достигнуто соглашение и имеются различные споры по данному правоотношению в судебном порядке. С иском в суд может обратиться наследник имеющий право на выделение его наследственной доли из общей массы наследуемого имущества с правом требования выдела в натуре его доли или выплаты другими наследниками денежной суммы...
28366. Охрана наследства и управление им 14.24 KB
  В отношении наследственного имущества может быть осуществлена охрана от возможного посягательства иных лиц не имеющих право на получение данного имущества от возможного расхищения имущества и прочее в интересах наследников отказополучателей кредиторов а также и государства. Охрана наследственного имущества осуществляется посредством применения мер по охране имущества указанных в законе опись сдача имущества на хранение доверительное управление имуществом и др. Охрана наследственного имущества осуществляется нотариусом по месту...
28367. Ответственность наследника по долгам наследодателя 14.42 KB
  эПри принятии наследства наследники могут быть уведомлены о том что наследуемое имущество обременено долгами т. Таким образом после получения наследуемого имущества наследники должны рассчитаться с возможными кредиторами. Наследники вместе несут солидарную ответственность по долгам наследодателя т. Оставшиеся наследники отвечают перед наследником рассчитавшимся с кредиторами как долевые должники.
28368. Особенности наследования отдельных видов имущества 16.61 KB
  В состав наследства участника полного товарищества или товарищества на вере участника ОООили с ДО члена производственного кооператива входит доляпай этого участника в складочном уставном капитале соответствующего товарищества общества или кооператива. В состав наследства вкладчика товарищества на вере входит его доля в складочном капитале этого товарищества. В состав наследства члена потреб.на день открытия наследства зарегистр.
28369. Ограниченные вещные права: понятие, виды, субъекты и объекты 14.35 KB
  Ограниченное вещное право представляет собой право на чужую вещь уже присвоенную др. Ограниченные вещные права связанные с использованием чужих земельных участков: право пожизненного наследуемого владения право граждан на владение и целевое пользование земельным участком передаваемое по наследству; право постоянного бессрочного пользования земельным участком основным отличием которого является то что им может обладать как физическое так и юридическое лицо; сервитуты закрепленные за гражданами и юридическими лицами...