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

34676. Розподіл озону у просторі та часі 1006.5 KB
  Найбільш точно в атмосфері Землі визначається загальний вміст озону ЗВО. ЗВО Х як вже згадувалось вище це товщина шару озону приведеного до нормальних тиску і температури. Величина Х є сумарною або інтегральною кількісною характеристикою шару озону іноді замість неї використовують зведену товщину шару озону .
34677. Роль колообігу води в природі в процесах формування хімічного складу атмосфери 719.5 KB
  Нестача води у ґрунті призводить до погіршення живлення рослин і зниження врожаю сільськогосподарських культур. Тому для забезпечення у ґрунті води здійснюють цілий комплекс агрохімічних заходів. сказано що âвикористання води на нашій планеті постійно зростає і вже найближчим часом у багатьох її регіонах слід чекати дефіциту прісної водиâ.
34678. Парникові гази та їх роль у формуванні клімату 88 KB
  Сукупність цих газів створює в атмосфері парниковий ефект. Суть парникового ефекту полягає в наступному: Земля отримує енергію Сонця в основному у видимій частині спектра а сама випромінює в космічний простір головним чином інфрачервоні промені. Затримуючи тепло в атмосфері Землі ці гази створюють ефект який називається парниковим а гази парниковими. Практично будьякий вид діяльності людини супроводжується викидами парникових газів створюючи таким чином додатковий або антропогенний парниковий ефект.
34679. УТВОРЕННЯ ТА РУЙНУВАННЯ ОЗОНУ 221.5 KB
  1 Фотохімічна теорія утворення озону оксигенний цикл За Чепменом озон в атмосфері утворюється з молекулярного кисню [3]. В результаті дії цих двох протилежних процесів в атмосфері на деяких висотах встановлюється цілком визначена густина озону. Для формування озону в стратосфері перш за все необхідний атмосферний оксиген який утворюється внаслідок фотодисоціації молекули оксигену по реакції 1: Р.
34680. Фотохімічний смог 103.5 KB
  Незважаючи на формування в останні десятиліття загальної тенденції до покращення стану атмосферного повітря в м. Для утворення фотохімічного смогу необхідна наявність в повітрі таких первинних забруднювачів як оксид азоту NO та NO2 які у значній кількості надходять у повітря із відпрацьованими газами автомобільних двигунів; летких органічних сполук ЛОС таких як пропан нбутан етилен бензол формальдегід які в основному надходять через випаровування та згорання палива і розчинників; Метеорологічними передумовами утворення смогу є...
34681. Хімічний склад атмосфер інших планет 204 KB
  Початок формування атмосфери повязаний з еволюцією Сонця, з процесом його перетворення молодої зірки в дорослу. Цей процес характеризувався гравітаційним ущільненням до планет (космічного пилу) та газів сонячного туману.
34682. Хімічні процеси в стратосфері 99.5 KB
  У стратосфері на висотах менше 50 км відбувається утворення озону за реакцією O2 O → O3 Нестабільна молекула озону в збудженому стані O3 перетворюється в стабільну молекулу озону в результаті реакції з так званою третьою часткою в якості якої виступають молекули кисню і азоту що містяться в повітрі в найбільшій кількості: O3 M → O3 M 107 кДж Швидкість утворення озону пропорційна добутку концентрацій що беруть участь у реакціях частинок. Таким чином існує максимум швидкості утворення озону який припадає на...
34683. Аерозоль і клімат 311.5 KB
  Оцінка прямого впливу аерозолів на радіаційний баланс дає досить широкі Schätzungen der direkten Wirkung von erosolen uf den Strhlungshushlt zeigen eine reltiv große Bndbreite und beruhen weitgehend uf Modellstudien die nicht nur für die vorindustrielle Zeit sondern uch für die Gegenwrt schwer zu verifizieren sind. Die Unsicherheiten beruhen zum einen druf dss selbst der ktuelle tmosphärische Gehlt einzelner erosolrten nicht genu feststeht zum nderen druf dss die Größenverteilung die chemische Zusmmensetzung die Mischung und die...
34684. Водяной пар в атмосфере и гидрологический цикл 44.5 KB
  В отличие от большинства других присутствующих в атмосфере газов содержание водяного пара может очень сильно меняться. По мере того как молекулы воды переходят в воздух давление пара в воздухе увеличивается. Если температура воздуха продолжает увеличиваться то для поддержания насыщенного состояния пара число молекул поступающих в воздух также должно увеличиваться если конечно жидкость еще имеется. Давление пара служит мерой для другой величины также выражающей количество пара содержащегося в воздухе и называемой абсолютной влажностью.