Изучение силы трения
Силы трения обусловлены взаимодействием поверхностей соприкасающихся тел, направлены по касательной к этим поверхностям и препятствуют относительному перемещению тел. Трение между поверхностями разных тел называют внешним (сухим), а трение между частями одного и того же тела (слоями жидкости, газа) - внутренним (жидким).
Различают три вида сухого трения: трение покоя, трения скольжения и трения качения.
Трение покоя. Силу трения, возникающую при попытке вызвать скольжение одного тела по поверхности другого называется силой трения покоя.
Силу трения покоя, равную по модулю той внешней силе, при которой начинается скольжение данного тела по поверхности другого, принято называть максимальной силой трения покоя. Опыт показывает, что модуль максимальной силы трения покоя не зависит от направления приложенной силы (закон Амонтона-Кулона):
(4.1) |
Силы трения покоя обеспечивают возможность ходьбы по земле, является движущей и тормозящей силой для всех наземных колесных видов транспорта.
Трение скольжения. Сила трения, возникающая в результате скольжения одного тела по поверхности другого, называют силой трения скольжения.
(4.2) |
Коэффициент трения скольжения (μск) зависит от материала и состояния поверхности тел, а так же от относительной скорости движения. В первом приближении можно считать μск. равным коэффициенту трения покоя μ.
Трение качения. При качении тела по поверхности другого тела возникает особая сила - сила трения качения, которая препятствует качению тела. Кулон опытным путем установил, что сила трения качения пропорциональна силе нормального давления, оказываемого на соприкасающиеся поверхности, и обратно пропорциональна радиусу катящегося цилиндра или колеса (закон Кулона):
(4.3) |
Коэффициент трения качения не зависит от скорости качения и радиуса цилиндра, но зависит от материала, из которого изготовлены взаимодействующие тела, а так же от состояния их поверхностей.
Выполнение работы
Оборудование: брусок деревянный, набор плоскостей: дерево, стекло, бумага, динамометр лабораторный, набор грузов, линейка.
Упр.1. Сравнение силы трения покоя, силы трения скольжения.
А) Установите на бруске два груза и измерьте максимальную силу трения покоя бруска на деревянной поверхности. Для этого подцепите к бруску динамометр и, сдвигая его в горизонтальном направлении, постепенно наращивайте силу, действующую на груз. Заметьте значение силы, при котором брусок начнет двигаться. Полученный результат занесите в таблицу 1.
Б) Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по деревянной поверхности (движение бруска должно быть равномерным), полученный результат занесите в таблицу 1.
В) На основании полученных результатов сформулируйте вывод о соотношении измеренных сил.
Упр.2. Изучения зависимости силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей.
С помощью установки предыдущего опыта, меняя поверхности соприкосновения с бруском (стекло, бумага, крашеное дерево), выявите, зависит ли сила трения скольжения от рода соприкасающихся поверхностей. Результаты занесите в таблицу 1. Сформулируйте вывод. Как влияет обработка поверхности на силу трения?
Таблица 1
Результаты исследования силы трения покоя и скольжения
N0 измер. | Материал | Максимальная сила трения покоя Fп, H | Сила трения скольжения Fск, H | Коэффициент силы трения скольжения μск |
1 |   |   |   |   |
2 | ||||
3 | ||||
4 |
Упр.3. Проверка закона Амонтона-Кулона.
А) Выясните, как зависит сила трения скольжения от силы нормального давления. Для этого проведите измерения силы трения скольжения при различном количестве грузов, нагруженных на брусок. Результаты занесите в таблицу 2.
Б) Проделайте то же самое для максимальной силы трения покоя.
Таблица 2
Результаты исследования зависимости силы трения покоя и скольжения от силы нормального давления
N0 | Масса m, кг | Сила нормального давления N, Н | Максимальная сила трения покоя Fп, H | Сила трения скольжения Fск, H | Коэффициент силы трения скольжения μск |
1 |   |   |   |   |   |
2 | |||||
3 |
Упр.4. Определение коэффициента трения скольжения.
А) С помощью закона Амонтона-Кулона определите коэффициент трения скольжения для различных поверхностей. Результаты занесите в таблицу 1.
Б) Проверьте, влияет ли сила нормального давления на коэффициент трения скольжения. Для этого рассчитайте коэффициент трения скольжения при различных значениях силы нормального давления. Результаты расчетов занесите в таблицу 2.
Упр.5. Зависимость трения скольжения от площади соприкасающихся поверхностей.
А) Проверьте, влияет ли площадь соприкасающихся поверхностей на величину силы трения. Для этого брусок помещают некрашеной стороной на деревянную плоскость. В начале опыт провести для одной площади, затем для другой, также некрашеной. В каждом случае опыт повторить не менее трех раз, рассчитать среднее значение по формуле (0.3) и погрешность по формуле (0.4). Расчеты рекомендуется проводить на инженерном калькуляторе (см. с.8), надежность для определения коэффициента Стьюдента принять за 90%. Результаты занести в таблицу 3.
Таблица 3
Результаты исследования зависимости силы трения покоя и скольжения от поверхности соприкосновения
N0 | Площадь | Максимальная сила трения покоя Fп, H | Сила трения скольжения Fск, H |
1 |   |   |   |
2 | |||
3 | |||
Среднее |   |   |   |
Погрешность |   |   |   |
1 |   |   |   |
2 | |||
3 | |||
Среднее |   |   |   |
Погрешность |   |   |   |
Контрольные вопросы: