Определение коэффициента трения скольжения с помощью трибометра.

ТЕОРИЯ

Сила, препятствующая перемещению друг относительно друга соприкасающихся тел, называется силой трения. Она направлена по касательной к поверхности соприкосновения тел в сторону противоположную скорости движения тела (Рис.1).

Трение между поверхностями разных тел называется внешним, а трение между частями одного и того же тела (слоями жидкости, газа) – внутренним. Трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки, например, смазки, называется сухим. Различают три вида сухого трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя. Трение полозьев саней о снег, коньков о лед, топора о дерево – это трение скольжения. Когда же катится колесо вагона, автомобиля, велосипеда, перекатываются бревна, бочки – проявляется трение качения.

Причиной возникновения силы трения скольжения является взаимное зацепление неровностей, выступов поверхностей. При достаточно гладких поверхностях главной причиной возникновения трения становятся силы притяжения между молекулами трущихся поверхностей.

Опыт показывает, что сила трения F_{тр .} скольжения пропорциональна силе, прижимающей соприкасающиеся тела, т.е. силе нормального давления F_{н.д .}

(1)

где k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения скольжения.

Коэффициент трения скольжения показывает, какую долю от силы нормального давления составляет сила трения:

Он зависит от материала и качества обработки трущихся поверхностей, а также от относительной скорости движения и внешних факторов (температуры, влажности и т.д.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение коэффициента трения скольжения стали по дереву, эбонита по дереву, дерева по дереву, орг. стекла по дереву.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Брусок N с исследуемыми поверхностями помещается у левого края трибометра, т.е. стола с укрепленным на нём блоком. К концу бруска прикрепляется нить, которая перекидывается через блок и натягивается горизонтально грузом P. Придерживая брусок рукой, так чтобы нить оставалась натянутой, груз Р отпускается на пол. Измеряется расстояние от края стола до края бруска h, равное высоте груза над уровнем пола. Брусок снова устанавливается у края стола. Убирается рука. Система тел (брусок и груз) приходит в движение. Тела движутся ускоренно с одинаковым ускорением, так как вес груза гораздо больше силы трения и нить остаётся натянутой. При падении груза на пол действие силы натяжения нити прекращается, и, движущийся по инерции, брусок, израсходовав свою кинетическую энергию на работу против сил трения, останавливается. Измеряется расстояние l от края трибометра до края бруска (рис. 2).

Рассмотрим движение бруска под действием груза (рис.3).

Пусть m₁ – масса бруска, m₂ – масса груза, l - перемещение бруска, h - высота падения груза, d - путь, пройденный бруском по инерции.

По 2-му закону Ньютона уравнения движения бруска и груза в векторной форме запишутся соответственно в виде:

(2)

(3)

Спроектировав на оси уравнение (2):

с учетом выражение (1) получим уравнение движения бруска в виде:

(4)

Уравнение движения груза(3) в проекции на ось будет иметь вид:

(5)

где F_н.н. – сила натяжения нити.

Из закона сохранения энергии следует, что кинетическая энергия бруска идет на работу против сил трения на пути торможения d.

(6),

где υ ₁ – скорость, которую приобретает брусок, двигаясь равноускоренно с ускорением a на пути h.

(7).

Решают систему уравнений (4), (5), (6) и (7), для чего складывают уравнения (4) и (5), значение υ ₁ из (7) подставляют в (6) и из оставшихся уравнений выражают коэффициент трения k:

(8)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ОБОРУДОВАНИЕ: трибометр, брусок, грани которого сделаны из различных материалов (сталь, эбонит, дерево, орг.стекло), груз, весы, разновес, линейка.

ХОД РАБОТЫ:

1. Определяют массу бруска m₁ и массу груза m₂, взвешивая их на технических весах.

2. Определяют высоту падения груза h. Для этого брусок N располагают на доске так, чтобы его конец совпадал со срезом доски. Затем опускают груз P на пол (нить должна быть натянута) и по линейке рассчитывают положение бруска относительно среза доски. Это расстояние и есть высота падения груза (рис.2).

3. Снова совмещают конец бруска N со срезом доски и предоставляют ему возможность двигаться под действием груза P. При падении груза на пол брусок проходит путь l. Опыт повторяют 5 раз для каждой поверхности бруска.

4. Определяют путь торможения .

5. Подсчитывают значение коэффициента трения скольжения k для каждой пары трущихся поверхностей по формуле (8).

6. Все полученные опытом результаты заносят в таблицу.

Таблица.

7. Рассчитав относительную и абсолютную погрешность определения коэффициента трения, записывают окончательный результат в виде

k = (k ± Δ k)

для каждой пары поверхностей.

8. По результатам работы делают вывод о влиянии материала и качества обработки трущихся поверхностей на значение коэффициента трения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется силой трения? Как определяется её направление?

2. Назовите виды трения. Приведите примеры.

3. Каковы причины возникновения силы трения скольжения?

4. Что называется коэффициентом трения скольжения? От чего он зависит?

5. Запишите уравнения движения бруска и груза в опыте.

6. Запишите уравнение движения бруска по наклонной поверхности если:

а) брусок движется вверх с ускорением;

б) брусок движется вниз с ускорением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р. И. Грабовский. Курс физики. – СПб.: «Лань», 2009.