ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ И ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ НАКЛОННОГО МАЯТНИКА

Цель работы – определить коэффициенты трения скольжения и трения качения различных шаров по пластине с помощью наклонного маятника.

Теоретическая часть

Рассмотрим кратко силы трения, не затрагивая вопроса о происхождении этих сил, а ограничиваясь описанием найденных экспериментально законов трения.

В отличие от других сил (сил упругости, электрических сил и т.д.), зависящих от конфигурации тел и их взаимного расположения, силы трения также зависят еще и от относительных скоростей тел, между которыми они действуют. Силы трения могут действовать между соприкасающимися телами или их частями как при их относительном движении, так и при их относительном покое. Трение называется внешним, если оно действует между различными соприкасающимися телами, не образующими единого тела (например, трение между бруском и наклонной поверхностью, на которой он лежит или с которой он соскальзывает). Если же трение проявляется между различными частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых непрерывно меняются от слоя к слою, то трение называется внутренним.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки (смазки) называется сухим. Применительно к этому случаю, когда соприкасающиеся тела движутся друг относительно друга, различают трение скольжения и трение качения. Трение между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой оно движется, а также трение между различными слоями такой среды, называется жидким или вязким.

Рис. 26.

Рассмотрим законы сухого трения. Такое трение возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого, но и при всякой попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае трение называется трением покоя. Наличие трения покоя – характерная особенность сухого трения. Рассмотрим тяжелый брусок на горизонтальной поверхности (рис. 26). В состоянии покоя вес бруска Р уравновешен силой нормального давления f_n, с которой на брусок действует стол (P = f_n). Приложим к бруску горизонтальную силу f как можно ближе к поверхности стола, чтобы предотвратить опрокидывание бруска, когда он придет в движение. Опыт показывает, что если сила f не превосходит некоторой определенной величины f₀ (f < f₀), то брусок не приходит в движение. Отсюда следует сделать вывод, что на брусок со стороны стола действует равная и противоположно направленная сила f_тр, уравновешивающая силу f. Это и есть сила трения покоя. Такая же сила трения, но в противоположном направлении действует на поверхность стола со стороны бруска. Сила трения покоя принимает значения, равные внешней силе f. Максимальное значение силы трения покоя равно f₀.

Пусть теперь брусок скользит по поверхности стола со скоростью υ. При равномерном движении действующая сила f по-прежнему уравновешивается силой трения f_тр. Если равновесия нет, то движение будет ускоренным. В обоих случаях величина силы трения f_тр зависит от скорости υ.

Как экспериментально установил Кулон (1736 – 1806), величина силы трения не зависит от величины площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе нормального давления f_n, с которой одно тело действует на другое. Поэтому можно записать

Постоянная μ называется коэффициентом трения и зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Если тело действительно скользит по поверхности другого тела, то μ называют коэффициентом трения скольжения. Если же тела покоятся друг относительно друга, то его называют коэффициентом трения покоя. Вообще говоря, коэффициент трения μ зависит от скорости движения тел, но, как правило, когда не требуется большая точность его можно считать независящим от скорости.

Во многих случаях силы трения оказываются полезными (например, автомобиль приводится в движение силами трения, действующими между шинами колес и дорогой, и т.п.). Но также часто силы трения оказываются вредными (например, силы трения между деталями машин, приводящие к преждевременному износу), и с ними приходится бороться. Одним из способов уменьшения сил трения является замена силы трения скольжения трением качения. Под трением качения понимают трение, возникающее между шарообразным или цилиндрическим телом, катящимся без скольжения по плоской или изогнутой поверхности. Трение качения формально подчинятся тем же законам, что и трение скольжения. Однако коэффициент трения при качении значительно меньше, чем при скольжении.

Природа трения качения полностью не выяснена. Ниже представлена в упрощенном виде одна из возможных точек зрения на трение качения.

Трение качения появляется вследствие неупругой деформации как катящегося тела, так и поверхности, по которой катится тело. На рис. 27 схематически показана только деформация поверхности, имеющая несимметричный характер.

Качение можно представить как совокупность двух одновременно совершаемых телом движений: поступательного и вращательного.

На катящееся тело массы m действуют сила тяжести mg и результирующая сила со стороны деформированной поверхности F, точка приложения последней силы на рис. 27 обозначена через Р. Вертикальная и горизонтальная составляющие силы F равны Fcos γ , Fsin γ соответственно (см. рис. 27).

2-ой закон Ньютона в проекциях на вертикальное и горизонтальное направления имеет вид:

Рис. 27.

где а – ускорение поступательного движения катящегося тела. Горизонтальная составляющая Fsin γ представляет собой силу трения качения F_k, т.е. F_k = Fsin γ .

Из рис. 27 видно, что . Так как в большинстве случаев F_k < < mg, то tg γ и γ достаточно малы. Поэтому

sin γ ≈ γ, cos γ ≈ 1, F_k = Fγ, F ≈ mg.

Длина дуги μ , заключенная между вертикальной линией действия силы тяжести и точкой приложения Р силы F, при малых значениях γ примерно равна длине перпендикуляра, опущенного из точки приложения Р силы F на линию действия силы тяжести.

Расстояние O'P примерно равно радиусу тела R, поэтому γ ≈ μ /R.

Равенство R ≈ O'P следует из следующих соображений. Вращательное движение катящегося тела характеризуется малым угловым ускорением ε . Согласно основному закону динамики вращательного движения абсолютно твердого тела , где в случае качения М – момент силы F, J – момент инерции катящегося тела относительно оси вращения, проходящей через центр тела О перпендикулярно к плоскости рис. 27. Величина ε мала в том случае, если к катящемуся телу приложен малый момент М.

Последний мал, если мало плечо силы F, т.е. мала длина перпендикуляра ОК (см. рис. 27), опущенного из центра катящегося тела О на линию действия силы F. Если ОК мало, то расстояния ОР (= R) и O'P практически равны.

На основании вышесказанного сила трения качения имеет вид

Величина μ называется коэффициентом трения качения и имеет размерность длины.

В случае трения скольжения μ – коэффициент трения скольжения и является безразмерной величиной.

Экспериментальная установка

Рис. 28. Схематическое изображение экспериментальной установки

Схема установки показана на рис. 28. На основании 1 укреплена вертикальная стойка 2, к верхней части которой на кронштейне 3 крепится наклонная платформа 4. Угол платформы к вертикали можно изменять с помощью винта 5. Значение этого угла определяется по шкале 6. В верхней части платформы крепится наклонный маятник. При измерении коэффициента трения скольжения в качестве маятника используется стержень 7 с обоймой 8, в которой закрепляется усеченный стальной шар. Опора 9 на верхнем конце стержня 7 позволяет ему свободно отклоняться в плоскости, параллельной платформе 4. При измерении коэффициента трения качения маятником служит стальной шар 10, подвешенный на тонкой неупругой нити 11. Шар с нитью используется также для контроля вертикальности стойки 2, в этом случае его подвешивают на кронштейн 12.

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111213 Следующая