9625

Визначення коефіцієнта тертя з допомогою похилого маятника

Лабораторная работа

Физика

Визначення коефіцієнта тертя з допомогою похилого маятника Мета роботи: вивчення способу визначення коефіцієнта тертя та періоду коливань похилого маятника При переміщенні одного тіла по поверхні іншого виникають сили тертя (зовнішнє тертя). Вони об...

Украинкский

2013-03-14

47 KB

20 чел.

Визначення коефіцієнта тертя з допомогою похилого маятника

Мета роботи: вивчення способу визначення коефіцієнта тертя та періоду коливань похилого маятника

При переміщенні одного тіла по поверхні іншого виникають сили тертя (зовнішнє тертя). Вони обумовлені в основному атомною та молекулярною взаємодією тіл, які дотикаються. Тертя супроводжується втратами енергії – переходом механічної енергії в інші види (теплову, енергію звукових коливань, електричну та ін.). При перекочуванні циліндра або кулі по поверхні твердого тіла виникає тертя кочення, або тертя II роду. Втрати енергії при коченні, як правило, значно менше, ніж при ковзанні, але в механізмах прецизійних приладів (гіроскопах, вимірювальних пристроях), де розвивається досить мала потужність, доля втрати енергії в підшипниках може виявитись значною.

Походження тертя кочення можна наочно представити собі так. Коли шар або циліндр котиться по поверхні іншого тіла, він трохи вдавлюється в поверхню, а сам трохи стискується (пружні та пластичні деформації). Таким чином, тіло, яке котиться, весь час ніби вкочується на гірку (мал. 25.1). Разом з тим відбувається відрив ділянок однієї поверхні від іншої, а сили зчеплення між поверхнями перешкоджають цьому (адгезія). Ці явища і викликають тертя кочення. Чим більш тверді поверхні, тим менше тертя кочення. Величина сили тертя кочення залежить від геометричної форми тіл, що котяться, навантаження, якості обробки поверхонь, твердості тіл, які дотикаються (полірування, загартовування поверхонь і т.д.). Знання коефіцієнта тертя кочення необхідно для визначення впливу геометричної форми тіл, що котяться, якості обробки поверхонь кочення, а також твердості тіл, які дотикаються, на втрати енергії на тертя.

При вдавлюванні тіла, яке котиться, в поверхню, по якій він котиться, лінія дії реакції опори не співпадає з лінією дії сили нормального тиску . Це неспівпадіння викликає момент сили, який чинить опір кочення; він пропорційний навантаженню, отже

 M=kQn (QnN).

де K – коефіцієнт тертя кочення, його називають також “плечем тертя” (див. мал. 25.1), він має розмірність довжини. На малюнку С – точка дотику поверхонь, які труться. В першому наближенні (при рівномірному русі) можна вважати

FтрR=Nk,

тоді , (25.1)

де R – радіус тіла, що котиться.

В даній роботі коефіцієнт тертя кочення кулі по поверхні визначається методом похилого маятника. Маятник представляє собою металічну кульку, яка підвішена на нитці та котиться по похилій площині. Затухання коливань маятника обумовлено головним чином тертям кочення.

Якщо при коливанні похилого маятника знехтувати втратами енергії на подолання опору повітря, тертям в підвісі, деформацією закручення нитки, розсіянням енергії, то можна вважати, що потенційна енергія піднятого маятника масою m при коливаннях переходить в роботу по подоланню сил тертя кочення (див. теорію в роботі М–7).Тоді закон збереження енергії набуде вигляду mgh=FтрS, де h – втрата висоти центром ваги маятника; S – загальна довжина шляху, пройдена шаром за n циклів коливань.

Враховуючи співвідношення (25.1) та зв‘язок h з l (мал. 25.2), отримаємо

  ,

де l – довжина маятника;

 l=OE-OD;

  – кут нахилу маятника;

 h=lsin;

N=mgcos.

Після математичних перетворень отримаємо вираз для розрахунку коефіцієнта тертя кочення

  , (25.2)

де D – діаметр кульки;

 0 – амплітудне значення кута відхилення маятника в початковий момент;

 n – амплітуда відхилення через n коливань;

 0 та n – кути, виражені в радіанах.

Формула (25.2) справедлива при невеликих кутах відхилення n.

Опис приладу

Похилий маятник FPM-07, що застосовується в даній роботі, представлений на мал. 25.2.

На основі 11 поміщені мілісекундомір 1, колонка 8, фотоелектричний датчик 2, шкали 5 та 9 для підрахунку кутів відхилення 0 та n кульки 10 від положення рівноваги та кутів – нахилу колонки. У верхній частині колонки закріплена нитка маятника з кулькою на кінці. Довжину маятника можна змінювати гвинтом 6, відтиснувши попередньо стопорний гвинт 7. Шарик котиться по похилій пластині 4. Є набір пластин з різного матеріалу.

При коченні шарика в момент перетину воротком 3 світлового променю датчика спрацьовує мілісекундомір та на індикаторах 12 ведеться підрахунок числа періодів n та часу кочення t. За цими даними можна додатково визначити період коливань маятника. Клавіші 13 – СЕТЬ, СТОП та СБРОС. Перша вмикає та вимикає напругу живлення, друга – закінчення процесів підрахунку, третя викликає обнулення схеми мілісекундоміра та готовність його реагувати на новий сигнал датчика.

Методика виконання роботи

Установити в пазику досліджуваний плоский зразок 4 (якщо він не встановлений попередньо).

  1.  Установити обрану або задану викладачем довжину маятника, прослідкувавши, щоб вороток 3 при коченні шарика перетинав світловий промінь датчика та не зачіпав датчик.
  2.  Поставити опорними гвинтами 14 маятник в таке положення, щоб його нитка опинилась навпроти нульової поділки шкали 5.
  3.  Встановити заданий нахил маятника (30-700) з допомогою маховика на шкалі 9, попередньо відтиснувши стопорний гвинт на маховику. Занести значення кута =90- в таблицю. Заміряти штангенциркулем діаметр шарика (три-п‘ять разів).
  4.  Ввімкнути шнур в мережу живлення. Натиснути клавішу СЕТЬ та перевірити, чи усі індикатори 12 вимірювачів висвічують нулі, а також чи засвітилась лампочка фотоелектричного датчика. Приладу в прогрів не потрібен.
  5.  Відхилити шарик від положення рівноваги на кут 0100 за шкалою 5. Записати 0 в таблицю та без поштовху відпустити маятник, одночасно натиснувши клавішу СБРОС. З цього моменту починається підрахунок n та t. Після того як маятник здійснить n повних коливань, відмітити кут n, натиснувши перед цим СТОП на секундомір і в момент висвітлення (n-1) коливань.
  6.  Результати досліду занести в таблицю. Дослід повторити три-п‘ять разів при D=…мм. СБРОС секундоміра робити після того, як шарик відведено знову на кут 0, секундомір готовий реагувати на новий сигнал датчика.

n0,град

t,с

n0,град

t,с

n0,град

t,с

n=10

n=8

n=5

Контрольні питання

Записати робочу формулу для розрахунку коефіцієнта тертя кочення k та пояснити зміст величин, що в неї входять.

  1.  Які закони фізики використовуються при виводі робочої формули для коефіцієнта тертя кочення?
  2.  Як залежить коефіцієнт тертя кочення від довжини маятника?
  3.  При якій умові виникає момент пари сил при коченні?
  4.  Від чого залежить коефіцієнт тертя кочення?
  5.  Куди направлена сила тертя кочення?
  6.  В яких одиницях СІ вимірюються (0-n), коефіцієнт тертя кочення?
  7.  Який зв‘язок між вимірюваннями кута в градусах та радіанах?

Література

Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения.—М.:Наука, 1963.

Лабораторний практикум по физике. /Под ред. А.С.Ахматова.—М.:Наука, 1980.

Левинсон Л.Е. Техническая механика.—М.:Наука, 1963.

Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. т.I.—М.:Наука, 1963.—§5.5.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81722. Философская лирика Ф. И. Тютчева. Чтение наизусть и разбор одного стихотворения 34.14 KB
  В поэзии Тютчева мир одухотворен очеловечен пребывает в вечном движении и развитии. Тютчев утверждает: Не то что мните вы природа: Не слепок не бездушный лик В ней есть душа в ней есть свобода В ней есть любовь в ней есть язык.
81723. Женские образы и средства их воплощения в романе М. Шолохова «Тихий Дон» 33.27 KB
  Мелеховский двор на самом краю хутора любовь героя удивительна небывала необычна для хутора будто видели они как прокофий вечерами когда вянут зори на руках носил жену до Татарского ажник кургана. Роман Тихий Дон это роман о мире человеческих страстей в центре которого любовь Аксиньи и Григория. Героям предстоит пройти через ужасы войны через разлуку и многие тяжкие грехи взять на себя но свою любовь они пронесут через всю жизнь потому что без их любви жизнь теряет смысл. Эта любовь трагична не только для Григория и...
81724. Тема русского бунта в произведениях отечественной литературе 32.18 KB
  Дубровский Глава 6 Пожар в Кистеневке эпизод Эпизод начало стихийного крестьянского бунта возникшего от страстного желания крепостных Дубровских отомстить за барина и нежелания служить новому хозяину Кирилле Троекурову которому по решению суда переходило имение Дубровских. Глава 7 появились разбойники и распространили ужас по всем окрестностям Грабительства одно другого замечательнее следовали одно за другим. Рассказывали о нем чудеса; имя Дубровского было во всех устах все были уверены что он а никто другой...
81725. Природа и любовь в поэзии А. А. Фета 38.59 KB
  Ктото учит маленьких несмышленышей делающих первый в жизни шаг твердо стоять на ногах с трудом произносить первые слова. Нас восхищают слова поэта выражающие его огромную любовь к своей родине к ее необъятным просторам к ее тихим уголкам: Какое дикое ущелье Ко мне навстречу ключ бежит Он в дол спешит на новоселье. Травы цветы деревья болотца ручейки перелески зори грозы облака во всем открывает чародей слова живую душу всем поверяет свои заветные думы. Итак мир природы для Тютчева был тем неисчерпаемым источником...
81726. Путь исканий Григория Мелехова в романе М. Шолохова «Тихий Дон». Смысл финала шолоховской эпопеи 32.97 KB
  Герои Шолохова люди простые но незаурядные а Григорий не только храбр до отчаяния честен и совестлив. Влияние Чубатого Предчувствие беды ранение Григорий и его дети желание конца войны На стороне большевиков. 6 Разговор с Петром Злоба к большевикам Ссора с отцом изза награбленного Самовольный отъезд домой Красные у Мелеховых Пьянство мысли о смерти Григорий убивает матросов Разговор с дедом Гришакой и с Натальей Встреча с Аксиньей Книга четвертая ч. 7 Григорий в семье.
81727. Образ «маленького человека» и его воплощение в произведениях отечественной классики 19 века 31.14 KB
  Тема маленького человека впервые была затронута в творчестве А. обратился к теме бесправного безмерно униженного и забитого маленького человека живущего своей внутренней жизнью в условиях грубо попирающих достоинство человека. И чтобы их раздобыть он идет на преступление под влиянием выдуманной теории о необыкновенных личностях Созданные писателем образы маленьких людей проникнуты духом протеста против социальной несправедливости против унижения человека и верой в его высокое призвание.
81728. Герои и тематика лирики Н. А. Некрасова 33.13 KB
  Особенно трудным для Н оказался конец 60 гг нравственный компромисс на который он пошел во имя спасения журнала вызвал упреки со всех сторон реакционная публика уличала поэта в корыстолюбии а духовные единомышленники в отступничестве Тяжелые переживания Н отразились в цикле так называемых покаянных стихов Ликует враг 1866 Умру я скоро 1867. Зачем меня на части рвете 1867 Однако эти стихи не вписываются в однозначное определение покаянных в них звучит мужественный голос поэта исполненный сложной внутренней борьбы не...
81729. Тема борьбы добра и зла в романе М. Булгакова «Мастер и Маргарита» 31.92 KB
  В романе слово черт употребляется около 60 раз. В романе подробно и образно описано окружение сатаны присутствует дьявольская атрибутика оборотни его свита ведьмы боров как верховое животное ведьмы разлагающиеся трупы гробы черная месса в которой искажается перевертывается Божественная литургия Он лишает людей голов разума. В романе нет героев способных подняться на духовную борьбу против него.
81730. Образ скучающего героя в произведениях отечественной классики 19 века 32.94 KB
  Лермонтов Герой нашего времени В романе Л. но и многих молодых людей того времени: жизнь была только цепь грустных и неудачных противоречий сердцу и рассудку Герой романа не всегда был циником скептиком духовно черствым человеком. Причину превращения Печорина в нравственного калеку автор видит в социальных условиях в которых воспитывался герой. И вот на страницах своего дневника герой приходит к страшному выводу: во мне душа испорчена светом Судьбу талантливого человека не нашедшего себе достойного применения в обществе его...