Вимірювання коефіцієнта тертя

Мета роботи - вивчення сили тертя.

Прилади й приналежності. трибометр - набір кілець і дисків, лабораторний модуль ЛФМ-3, блок на вертикальній стійці, набір вантажів, нитки - довжиною 45 см (бордова) і довжиною 120 см (бежева), динамометр.

Тертям називається механічне опір, що виникає в площині торкання двох притиснутих один до одного тіл при їх відносному переміщенні. Сила опору F, спрямована протилежно відносному переміщенню даного тіла, називається силою тертя, що діє на це тіло. Тертя є дисипативним процесом, що супроводжується виділенням теплоти, електризацією тіл, їх руйнуванням і т. Д.

У даній роботі ми маємо справу з так званим сухим тертям ковзання, яке в значній мірі залежить від стану поверхонь, що труться тіл і їх хімічної природи.

Розглянемо тіло, що лежить на плоскій поверхні, до якого прикладена горизонтальна сила F. У тому випадку, коли сила F менше деякої величини Fтp.пок. тіло залишається нерухомим і сила тертя залишається рівною величині сили F. При збільшенні сили F в тому випадку, коли ця сила перевищить значення Fтp.пок. тіло почне рухатися з прискоренням а (рис. 1). Це прискорення може бути розраховане за другим законом Ньютона:

де т-- маса тіла, Fтp - сила тертя ковзання.

Французькі фізики Г. Амонтон і Ш. Кулон дослідним шляхом встановили закон: сила тертя ковзання Fтp пропорційна силі нормального тиску FN. з якої одне тіло діє на інше: Fтp = # 956; FN,

Мал. 1. Сила тертя

де FN-сила, що діє на плоску поверхню з боку тіла т, чисельно рівна силі N з боку плоскої поверхні на тіло (за третім законом Ньютона), # 956; - коефіцієнт тертя ковзання.

На горизонтальній поверхні сила нормального тиску дорівнює силі тяжіння: FN = mg.

Трибометр складається з двох дисків (рис. 2, а, б) між якими закріплюються два кільця з набору кілець (рис. 2, в).

Мал. 2. трибометр

Нижній диск а закріплюється на обертовому столі 10 установки ЛФМ-3. Два кільця з набору кілець в закріплюються

дисках; верхній диск б накладається на нижній диск а. так, щоб вісь нижнього диска увійшла в отвір верхнього диска.

До верхнього диску прикріплюють один кінець нитки (коротка нитка бордового кольору), другий кінець якої, пропустивши через блок 12. прикріплюють до динамометру 13 (рис. 3).

Завдання II. Вимірювання коефіцієнта тертя в залежності від швидкості руху, що труться

1. Закріпити і намотайте довгу нитку бежевого кольору на шківі обертового столу 10 так, щоб, потягнувши за нитку стіл міг обертатися за годинниковою стрілкою

2. Підготуйте установку до вимірювань. Для цього встановіть необхідну фрикционную пару кілець на трибометр, встановіть відповідний вантаж 11 масою т, приведіть обидві нитки в натягнуте положення. Натисніть кнопку «готовий» на модулі ІСМ-1.

3. Потягнувши за довгу нитку, приведіть стіл установки в обертальний рух. Вважайте час одного обороту столу з вимірювача часу модуля ІСМ-1 і силу тертя з динамометра. Результати вимірювань занесіть в табл. 2.

4. Розрахуйте швидкість руху труться кілець v за формулою

де - середній радіус кільця, t - час одного обороту столу.

Матеріал фрикційної пари

5. Розрахуйте коефіцієнт тертя # 956; по формулі (1).

6. Проведіть вимірювання коефіцієнта тертя при іншій швидкості руху столу.

7. Побудуйте графік залежності коефіцієнта тертя від швидкості руху, що труться v.

1. Дайте визначення поступального і обертального руху. Як пов'язані між собою кінематичні характеристики поступального і обертального руху?

2. Як вводяться в динаміку поняття маси, сили і імпульсу? Сформулюйте закони динаміки поступального руху.

3. Фізична сутність сили тертя і коефіцієнта тертя. Закон Амонтона. Постановка і рішення задачі про рух тіла по похилій площині.

4. У чому полягають особливості сухого і в'язкого тертя? Графіки залежності сили тертя від швидкості руху. Який характер руху тіла під дією сили тертя?

5. «Позитивні» і «негативні» сторони тертя. Способи збільшення та зменшення сили тертя. Чи існує тертя в невагомості?

Завдання для звіту по лабораторній роботі

1. Для пересування ящика масою 40 кг по бетонній підлозі необхідна сила 270 Н. Чому дорівнює коефіцієнт тертя спокою між коробкою і підлогою?

2. Припустимо, що ви стоїте в вагоні поїзда, що рухається з прискоренням 0,42 g. Яким повинен бути мінімальний коефіцієнт тертя між вашими підошвами і підлогою, щоб ви не ковзали?

3. З яким максимальним прискоренням може рухатися автомобіль, якщо коефіцієнт тертя спокою між шинами і покриттям дороги дорівнює 0,35?

4. Вантаж масою 4 кг покладено на дошку масою 12 кг, що рухається по горизонтальному столу з прискоренням a = 5,2 м / с 2 Знайти мінімальний коефіцієнт тертя μ, при якому вантаж не буде рухатися по дошці.

5. За даними попередньої задачі: якщо # 956; становить лише половину цього максимального значення, то чому дорівнюватимуть прискорення вантажу щодо столу і щодо дошки?

6. Ящик масою 8 кг на похилій площині з кутом нахилу 30 ° рухається з прискоренням 0,3 м / с 2. Знайти силу тертя, що перешкоджає цьому рухові. Чому дорівнює коефіцієнт тертя?

7. Ящик штовхнули таким чином, що він почав ковзати по підлозі. Як далеко просунеться ящик, якщо коефіцієнт тертя ковзання дорівнює 0,3, а при поштовху йому була повідомлена швидкість 3 м / с?

8. Автомобіль масою 1000 кг тягне причіп масою 450 кг. Щоб прискоритися, автомобіль діє на землю силою в горизонтальному напрямку, величина якої дорівнює 3,5 · 10 3 Н. Коефіцієнт тертя дорівнює 0,45. З якою силою автомобіль діє на причіп?

9. Камінь, пущений по поверхні льоду зі швидкістю

v = 3 м / с, пройшов до зупинки відстань s = 20,4 м. Знайти коефіцієнт тертя каменя об лід.

10. Мотоцикліст, який рухається з постійною швидкістю

12 м / с, в'їжджає на ділянку дороги, покритий піском, де коефіцієнт тертя ковзання дорівнює 0,8. Проскочить він піщана ділянка без перемикання швидкостей, якщо протяжність ділянки дорівнює 15 м? Якщо так, то якою буде його швидкість в кінці цієї ділянки?

11. Два контейнера, маса одного з яких дорівнює 95 кг, а іншого - 125 кг, стоять, стикаючись один з одним. До контейнера масою 95 кг прикладають силу величиною 650 Н. Якщо коефіцієнт тертя ковзання дорівнює 0,25, то чому дорівнює прискорення системи тіл? Чому дорівнює сила дії одного контейнера в інший?

12. Два тіла масами m1 = 0,25 кг і m2 = 0,15 кг пов'язані тонкою ниткою, перекинутою через блок (рис. 4). Блок укріплений на краю горизонтального столу, по поверхні якого ковзає тіло масою m1. З яким прискоренням a рухаються тіла і які сили натягу нитки по обидві сторони блоку? Коефіцієнт тертя μ тіла об поверхню столу дорівнює 0,2. Маса блоку дорівнює 0,1 кг і її можна вважати рівномірно розподіленим по обіду. Масою нитки і тертям в підшипниках осі блоку знехтувати.

13. Похила площина (рис.5) становить кут # 945; з горизонтом. Ставлення мас m2 / m1 = 2/3. Коефіцієнт тертя між тілом m1 і площиною # 956; = 0,1. Маси блоку і нитки пренебрежимо малі. Знайти модуль і напрямок прискорення тіла m2. якщо система прийшла в рух зі стану спокою.

14. В установці (рис.5) відомі кут # 945; і коефіцієнт тертя μ між тілом m1 і похилою площиною. Маси блоку і нитки пренебрежимо малі, тертя в блоці немає. Спочатку обидва тіла нерухомі. Знайти відношення мас m2 / m1. при якому тіло m2 почне а) опускатися, б) підніматися.

15. Автомобіль йде по заокругленню шосе, радіус R кривизни якого дорівнює 200 м. Коефіцієнт тертя коліс об покриття дороги дорівнює 0,1 (ожеледь). При якій швидкості v автомобіля почнеться його занос?

16. Яку найбільшу швидкість vmax може розвинути велосипедист, проїжджаючи заокруглення радіусом R = 50 м, якщо коефіцієнт тертя між шинами і асфальтом дорівнює 0,3? Який кут відхилення велосипеда від вертикалі, коли велосипедист рухається по заокругленню?

17. Мотоцикл їде по поверхні вертикального циліндра радіусом R = 11,2 м. Центр тяжкості мотоцикла з людиною розташований на відстані l = 0,8 від поверхні циліндра. Коефіцієнт тертя покришок об поверхню циліндра дорівнює 0,6.

З якою мінімальною швидкістю повинен їхати мотоцикліст? Який при цьому буде кут # 966; нахилу його до площини горизонту?

18. На горизонтальній площині знаходяться два тіла: брусок і електромотор з батарейкою на підставці. На вісь електромотора намотана нитка, вільний кінець якої з'єднаний з бруском. Відстань між тілами одно l. коефіцієнт тертя між тілами і площиною μ. Після включення мотора брусок, маса якого вдвічі більша за масу електромотора, почав рухатися з постійним прискоренням a. Через скільки часу обидва тіла зіткнуться?

19. До бруска масою m, який лежить на гладкій горизонтальній площині, доклали постійну по модулю силу F = mg / 3. У процесі його прямолінійного руху кут # 945; між напрямком цієї сили і горизонтом змінюють за законом # 945; = Ks. де k - постійна величина, s - пройдений бруском шлях (з початкового положення). Знайти швидкість бруска як функцію кута # 945 ;.

Лабораторна робота № 10