Файл: Контрольные вопросы для самопроверки. Пособие содержит методические указания по теории погрешностей. Работы расположены в последовательности изложения материала курса Общая физика, раздел Механика.docx

Цель работы: Ознакомиться с одним из способов измерения коэффициента трения покоя.

Приборы и принадлежности: Модульный учебный комплекс МУК-М2: рабочий узел «наклонная плоскость», два бруска дерево-дюраль и дерево-сталь, секундомер электронный СЭ1.

Краткое теоретическое введение

Трение — процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде.

Раздел физики, изучающий природу трения называется трибология.

В зависимости от масштаба, на котором изучается трение, в современной трибологии принято выделять три раздела:

макротрибологию (или просто трибологию);
микротрибологию;
нанотрибологию.

Лишь с возникновением сканирующих микроскопов появилась возможность экспериментального изучения микро- и нанотрибологии.

Сила трения – это совокупный эффект, возникающий в результате самых различных физических явлений: упругости, адгезии, вязкости, капиллярных сил, химических особенностей, фононного и электростатического взаимодействий и проч. В зависимости от условий может преобладать то или другое явление.

Каждый из разделов трибологии исследует трение на своем масштабе. Макротрибология имеет дело с большими объектами и не рассматривает особенностей строения вещества. С трением в макромире мы и познакомимся в данной лабораторной работе.

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения. Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого.

Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

Для того чтобы понять природу сил трения, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Площадь контакта оказывается очень малой. Однако при сжатии остроконечные неровности пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.

Трение покоя.

Сила трения покоя F_тр не является однозначно определенной величиной. В зависимости от приложенной силы тяги F величина силы трения покоя меняется от 0 до F_мин – того значения силы

, когда брусок начнет двигаться. Поэтому

Обычно силой трения покоя называют максимальную силу трения покоя F_{тр макс пок}.

Сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и пропорциональна силе нормального давления P_н (а следовательно, равной ей силе реакции опоры N):

. (1)

Соотношение (1) является законом Амонтона-Кулона, основным соотношением макротрибологии, который пропорционально связывает силу трения и нормальную реакцию:

Величина μ_покназывается коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения покоя зависит от трущихся материалов и от качества обработки поверхностей.

Для определения коэффициента трения покоя удобно использовать наклонную плоскость рис.1. При медленном увеличении угла наклона плоскости можно найти такой угол α₀, при котом брусок скачкообразно сдвинется с места и начнет скользить по плоскости.

В данном случае на брусок будут действовать три силы: сила тяжести F_т, сила реакции опоры N и сила трения F_{тр пок}.

рис. 1

Выберем направление координатной оси X вдоль плоскости вниз, а координатной оси Y перпендикулярно плоскости вверх. При отсутствии ускорения равнодействующая всех трех сил равна нулю. Запишем систему уравнений исходя из второго закона Ньютона:

Из системы уравнений следует

. Исходя из выражения (1) можно получить

(2)

Методика эксперимента

Определить коэффициент трения покоя можно с помощью узла «плоскость», входящего в состав модульно учебного комплекса МУК-М2.

Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами α к горизонту (рис.2). Угол α измеряется с помощью шкалы 3. На плоскость может быть помещен брусок 4 массой m. Предусмотрено использование двух брусков. Каждый брусок состоит из двух частей, изготовленных из различных материалов: дерево-дюраль и дерево-сталь.

рис. 2

Изменяя угол наклона плоскости можно найти такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Используя формулу (2) можно рассчитать коэффициент трения покоя μ_пок бруска.

Порядок выполнения работы

Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под углом 0 к горизонту. Поместите брусок 4 (сталь-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз.
Медленно изменяя угол наклона плоскости, найдите такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Запишите угол наклона плоскости α. Вычислите по формуле (2) коэффициент трения покоя μ_пок.
Повторите опыт пятикратно. Проведите математическую обработку результатов. Заполните таблицу.

Таблица

	№	α	μ_пок
дерево	1
	2
	3
сталь	1
	2
	3
дюраль	1
	2
	3

Повторите п. 1 - 3, повернув брусок в положение сталью вниз.
Повторите п. 1 - 4 для второго бруска.
Сравните полученные в опыте значения коэффициентов трения покоя с табличными (см. приложение).
Вычислите абсолютную и относительную погрешности косвенного измерения μ_пок(α), по соответствующим формулам: