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

19 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

53146. Интегрированный урок по русскому языку, природоведению, внеклассному чтению в 4 классе на тему: «Главного глазами не увидишь….» 59 KB
  Цель: Расширить представление учащихся о частях речи, о роли прилагательных в поэтической речи, совершенствование навыков быстрого выразительного чтения. Развитие воображения, наблюдательности, памяти, образного мышления, речи, умения слушать учителя, самостоятельно работать в группах, точно высказывать свою мысль, делать анализ прочитанного. Воспитывать чувство дружбы, отзывчивости.
53148. Глобальні проблеми людства 38 KB
  Річ у тім що паралельно з ним виникає і загострюється ряд проблем які безпосередньо зачіпають інтереси усього людства. Проблеми ці отримали назву глобальних тобто таких що охоплюють не якусь одну країну або групу країн а планету в цілому. Виникла навіть самостійна галузь знань – глобалістика яка вивчає найзагальніші планетарні проблеми сучасного і майбутнього розвитку людської цивілізації.
53150. Веселі гномики 38.5 KB
  Тема: Веселі гномики Автор: Шевченко Марина Михайлівна вихователь ДНЗ №23 Дзвіночок м. Вихователь: Гномикиви дуже гарний настрій подарували нашим гостям. Гномики вас ліс вітає Снігуроньку відшукаєм Вихователь: Ось ми і прийшли на лісову галявину. вихователь індивідуально активізує кожну дитинузапитує про колір Молодціпогляньте яка красива в нас ялинка Давайте поплескаємо в долоні Ялинка запалюється вогниками Вихователь: Йдемо далі.
53151. Година спілкування «Наше дозвілля або Не перемикайте канал!» 69 KB
  Обладнання: анкета програми телебачення фішки вислови мікрофон Зміст роботи І. Кореспондент – Це я зараз запитаю в Можливі відповіді: дізнатись про активне змістовне цікаве дозвілля; як впливає телебачення на здоров’я учнів; продемонструвати своє захоплення і т. Спецрозслідування Ведучий – Доброго дня наші глядачі якщо його можна назвати добрим На нас чекає розслідування: Скільки часу вбиває телебачення робота в групах: 1 у програмі телебачення підкреслити передачі що допомагають розвитку дітей; 2 у програмі...
53152. Як не захворіти на грип та застуду 52 KB
  Обладнання: плакат зараження грипом повітрянокрапельним шляхом малюнки Віруси марлева пов'язка мікроскоп костюм лікаря костюм Зайчика до інсценізації казки Зайчик застудився фотоілюстрації лікарських рослин магнітола телевізор. Поради лікаря А зараз до вашої уваги члени гуртка У світі казки чарівної пропонують казочку Зайчик застудився Зайчик застудився Ведучий: Ось в цій хатці під сосною І улітку і зимою Жив собі маленький Зайчик Жвавий сірий побігайчик з'являється Зайчик чхаєкашляє ойкає Дівчинка: Зайчик...
53153. Година цікавої математики, присвячена Дню космонавтики 148 KB
  Небо зорями рясніє Таємниче і глибоке Всесвіт нам бентежить мрії Спонукаючи до дії Розум радує і око. Інтернет зв'язок мобільний Телебачення прогноз Спілкування з світом вільне Змінює життя всерйоз Учитель: слайд 3 Дорогі діти сьогодні ми з вами зробимо екскурсію в історію освоєння космонавтики. І так ми вирушаємо у подорож слайд4 МАПА ПОДОРОЖІ. слайд 5 Перший конкурс присвячений датам з історії освоєння космосу.
53154. Schulbibliothek. An der Spitze – gestern und heute 98 KB
  Ich möchte wissen, was ihr vor der Stunde erwartet. Hier habe ich eine Liste der Tätigkeiten in der Stunde. Aber die Sätze sind nicht voll. Ergänzt und äußert eure Vermutungen. Was werden wir heute machen? Am Ende der Stunde prüfen wir, welche Vermutungen richtig sind.