Ответ | Автобус остановится через c. |
Задание | Небольшое тело положили на наклонную плоскость, составляющую угол с горизонтом, и отпустили. Какое расстояние пройдет тело за 3 с, если коэффициент трения между ним и поверхностью 0,2? |
Решение | Выполним рисунок и укажем все силы, действующие на тело. На тело действуют сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения Выберем систему координат, как показано на рисунке, и спроектируем это векторное равенство на оси координат: Из второго уравнения: |
Измерение коэффициента трения качения методом наклонного маятника
Table of contents :
Пустая страница
Пустая страница
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Техническая физика»
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ МЕТОДОМ НАКЛОННОГО МАЯТНИКА Методические указания к лабораторной работе
Минск БНТУ 2018
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет
Кафедра «Техническая физика»
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ МЕТОДОМ НАКЛОННОГО МАЯТНИКА Методические указания к лабораторной работе
Минск БНТУ 2018 1
УДК 531. 45(076.5) ББК 22.2я7 И37
Составители: Д. А. Русакевич, И. К. Султанова, С. И. Шеденков Рецензенты: доцент кафедры «Физика» БНТУ, канд. физ.-мат. наук Н. П. Юркевич; доцент кафедры «Управление недвижимостью» ГИУСТ БГУ, канд. физ.-мат. наук В. П. Киреенко
В методических указаниях рассматриваются различные виды трения, даются понятия внешнего и внутреннего трения, сухого и вязкого трения, трения покоя, скольжения и качения. Для определения коэффициента трения качения в работе используется метод наклонного маятника, разработанный А. С. Ахматовым. В работе приводится вывод формулы для расчета коэффициента трения качения стали по различным металлическим подложкам, приводится расчет погрешности эксперимента.
УДК 531.45(076.5) ББК 22.2я7
© Белорусский национальный технический университет, 2018
2
Цель работы: изучить основные закономерности трения качения, определить коэффициент трения качения методом наклонного маятника. Порядок теоретической подготовки к выполнению работы: изучить и законспектировать в тетрадь ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы. 1. Сила трения. Трение покоя и трение скольжения. 2. Что такое трение качения? Какому закону оно подчиняется? 3. Какой физический смысл имеет коэффициент трения качения? 4. Какой закон используется как исходный для вывода расчетной формулы? В чем конкретно выражается этот закон по отношению к колебаниям маятника на наклонной плоскости? 5. Почему убыль полной энергии маятника можно считать равной убыли потенциальной энергии маятника в конечном и начальном крайнем положении? Как рассчитывается убыль энергии? 6. Как рассчитывается работа сил сопротивления качению? Приборы и принадлежности: наклонный маятник, сменные подложки (сталь, алюминий, латунь). Отчет по лабораторной работе должен содержать: – цель работы; – приборы и принадлежности к работе; – схему лабораторной установки; – физическую модель; – математическую модель; – таблицу результатов измерений; – результаты расчетов и погрешности; – вывод.
3
ВВЕДЕНИЕ В современной физике различают четыре вида взаимодействий: 1) гравитационное (взаимодействие, обусловленное всемирным тяготением), 2) электромагнитное (осуществляемое через электрические и магнитные поля), 3) сильное, или ядерное (обеспечивающее связь частиц в атомном ядре), 4) слабое (ответственное за процессы распада элементарных частиц). В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными взаимодействиями. Одним из проявлений таких взаимодействий являются силы трения. Силы трения проявляются как при относительном перемещении соприкасающихся тел или их частей, так и при их относительном покое. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним; трение между частями одного и того же тела (например, жидкости или газа) носит название внутреннего. Трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки (смазки) между ними называется сухим. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды, называется вязким. Применительно к сухому трению различают трение покоя, скольжения и качения. Силы сухого трения возникают между несмазанными соприкасающимися поверхностями твердых тел. На величину этих сил и характер их зависимости от скорости существенно влияют состояние соприкасающихся поверхностей, их обработка, наличие загрязнений и т. д. Характерной чертой сил сухого трения является то, что они не обращаются в нуль вместе со скоростью. Сила трения, которая существует между соприкасающимися, но не движущимися друг относительно друга телами, носит название силы трения покоя. Величина и направление этой силы определяется величиной и направлением той внешней силы, которая должна была бы вызвать скольжение. 4
Сила трения покоя возникает при попытке вывести тело из состояния покоя. Величина силы трения покоя автоматически принимает значения, равные внешней силе F, и изменяется в пределах от 0 до F0, где F0 – это сила, при которой тело приходит в движение. Сила трения скольжения в момент начала скольжения равна F0. При увеличении модуля скорости сила трения скольжения вначале убывает, проходит через минимум, а затем начинает возрастать. Характер зависимости силы трения от скорости для различных тел и различной обработки поверхностей весьма различен, но для разнородных материалов сила трения скольжения в начале падает с увеличением скорости, так как при этом уменьшается площадь соприкосновения – тела проскакивают неровности и шероховатости поверхностей. Дальнейшее увеличение скорости приводит к повышению температуры трущихся поверхностей и их размягчению – сила трения уменьшается, или к окислению – в этом случае она увеличивается. Зависимость силы трения от скорости, как правило, выражена очень слабо, поэтому будем считать, что сила трения скольжения от скорости не зависит. Как экспериментально установил Ш. Кулон, сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей и пропорциональна силе нормального давления N, с которой одно тело действует на другое Fтр= N. Постоянная называется коэффициентом трения и зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Если тело скользит по поверхности другого тела, то называют коэффициентом трения скольжения, если же тела покоятся друг относительно друга – коэффициентом трения покоя. Сила трения качения возникает между шарообразным или цилиндрическим телом, катящимся по плоской или изогнутой поверхности. Трение качения формально подчиняется тем же 5
законам, что и трение скольжения, но коэффициент трения при качении значительно меньше, чем при скольжении. Трение качения Если тело А катится по телу В, то есть движется так, что точки соприкосновения их поверхностей не обладают относительной скоростью, то трение, возникающее в этом случае, называется трением качения. Возникновение трения при таких условиях объясняется тем, что тело А и опора В (рис. 1) под действием силы нормального давления N взаимно деформируются, поэтому телу А приходится как бы подниматься на возвышение С, преодолевая одновременно молекулярное схватывание в зоне взаимного соприкосновения обоих тел.
Рис. 1.
В условиях данной работы молекулярное схватывание можно считать слабым фактором. Это допускает рассмотрение силы трения для самого простого случая качения. Пусть тело А равномерно катится по телу В под действием постоян6
ной движущей силы F. Тогда в точке С, вокруг которой в данный момент происходит вращение тела А, возникает приложенная к данному телу реакция опоры Q’. Она равна по величине и противоположна по направлению равнодействующей Q и лежит с ней на одной прямой (см. рис. 1). Если разложить Q’ на составляющие N’ и f, параллельные N и F соответственно, будут иметь место следующие равенства:
N ‘ N;
f F.
(1)
Сила f, приложенная к движущемуся телу и направленная против движения, является силой трения качения. При равномерном качении тела А алгебраическая сумма моментов всех сил (F, N, N’, f) относительно точки вращения С по условию равновесия должна равняться нулю, то есть M F M N M N ‘ M f 0. Поскольку M N ‘ M f 0, а
M F FR и M N N , то это условие равновесия сводится к выражению
FR N ,
(2)
где R – плечо движущей силы F; – плечо силы нормального давления N (см. рис. 1). Из (1) и (2) следует окончательное выражение для силы трения качения f
N . R
(3)
При качении тела всегда
Трение качения — определение, факторы, законы
ТрениеЗадумывались ли вы когда-нибудь, почему трудно переместить объект из одного места в другое, толкая или притягивая его по поверхности другого тела/объекта? Или вы когда-нибудь пытались выяснить, почему мы скользим, когда ходим по мокрому полу?
Ответ на все эти вопросы прост; все это из-за трения. Итак, как же мы можем определить трение?
Сила трения противодействует относительному движению двух объектов, пытающихся скользить друг по другу. Сейчас вы можете подумать, что трение — это ненужная сила, но дело в том, что это необходимое зло. Несмотря на то, что оно препятствует движению и вызывает износ материалов, без трения мы не сможем ходить, водить машину или писать. Итак, трение — друг и враг. Есть в основном два типа трения,
- Трение скольжения — это сила, ограничивающая движение тела, скользящего по поверхности.
- Трение качения — это сила, ограничивающая движение тела, катящегося по поверхности.
В этой статье будет подробно рассмотрено трение качения с соответствующими примерами трения качения.
Трение каченияКогда тело, например колесо или шар, помещается на поверхность, трение скольжения между телом и поверхностью ограничивает движение тела. Но когда к телу приложена небольшая сила или крутящий момент, трение скольжения препятствует скольжению тела, и тело начинает катиться. Трение качения можно определить как силу, противодействующую движению объекта по поверхности. Когда тело начинает вращательное движение, происходит ряд вещей. Ниже приведены основные вещи, которые происходят, когда тело начинает катиться,
- Объект деформирован в точке контакта. Общеизвестно, что деформация происходит при приложении давления к поверхности. Точно так же, когда колесо помещается на поверхность, оно оказывает давление на поверхность, и наоборот.
- Неровности поверхности. Колесо и поверхность, на которой оно установлено, не идеально гладкие. Имеет неровности. Шероховатость препятствует движению колеса.
- Из-за вышеперечисленных моментов начинается движение под поверхностью.
При деформации происходит рассеивание энергии. Основная причина трения качения заключается в том, что энергия деформации больше, чем энергия, необходимая для восстановления исходной формы. Например, если твердый мяч катится по ровной поверхности, то в месте соприкосновения с поверхностью мяч несколько сплющивается.
В результате этого возникает упругая деформация или сжатие, а это, в свою очередь, препятствует движению. Это происходит потому, что внутренние потери веществ не компенсируются, так как объекты возвращаются к своей нормальной форме в следующем сеансе. Кроме того, существует постоянная потребность в энергии для преодоления силы, которая удерживает две поверхности сцепленными из-за силы сцепления.
Определяющие факторы трения качения- Характер объекта качения
Шероховатость или гладкость корпуса является важным фактором, влияющим на величину трения. Чем шероховатее поверхность, тем больше трение. Если мяч, катящийся по поверхности, гладкий, он будет двигаться с меньшим сопротивлением; если он грубый, его движение будет сильно ограничено.
- Качество поверхности, по которой катится кузов
Как и в случае с качеством скользящего тела, если поверхность гладкая, трение будет низким, а если шероховатая, трение будет больше.
- Загрузка
- По мере увеличения нагрузки увеличивается и трение.
- Диаметр объекта качения
Чем больше диаметр, тем меньше трение.
- Площадь тела качения
Чем больше площадь поверхности, тем больше будет и точка соприкосновения. Это, в свою очередь, приведет к большему трению.
Определение коэффициента трения каченияКоэффициент трения качения можно определить по соотношению силы трения качения и общего веса тела.
F R = 𝜇 R W
F R = Сила трения на катя0003 Факторы, влияющие на коэффициент трения качения
- Форма колеса или круглая поверхность.
- Характер и тип поверхности, по которой движется колесо.
- Диаметр колеса
- Площадь криволинейной поверхности
- Скорость колеса
- Материал, из которого изготовлено колесо.
- Величина давления на колесо
- Деформация поверхности или колеса
- Форма протектора на шинах.
Существуют три основных закона трения качения.
Закон 1По мере увеличения гладкости поверхности трение качения уменьшается.
Закон 2Трение качения прямо пропорционально нагрузке. С увеличением нагрузки трение качения увеличивается, а с уменьшением нагрузки трение качения уменьшается.
Право 3Трение качения обратно пропорционально радиусу тела качения. При увеличении радиуса трение уменьшается, а при уменьшении радиуса трение увеличивается.
Теперь давайте подробнее рассмотрим примеры трения качения.
Реальные примеры трения качения
- Качение баскетбольного мяча: Баскетбольный мяч, катящийся по полю, в конце концов остановится из-за трения качения.
- Другим примером трения качения является расход топлива велосипеда с более широкими шинами в большей степени из-за трения качения.
- Мяч, движущийся по полю, пройдет гораздо меньшее расстояние, чем мяч, катящийся по мраморному полу, потому что мраморный пол обеспечивает низкое трение по сравнению с полем. Это также хороший пример трения качения.
- Большегрузный грузовик получает больший пробег, когда гусеницы на колесе изнашиваются, потому что в этом случае сопротивление движению низкое. Это яркий пример трения качения.
- Одним из основных примеров трения качения является роликовый конькобежец. Поскольку контакт поверхности с колесом больше подходит для роликовых коньков, трение качения у него больше, чем у роликовых коньков.
- Более толстые шины помогут замедлить велосипед, так как они имеют больший контакт поверхности с колесом, что обеспечивает большее трение.
- При движении автомобиля по грязной поверхности (гладкой поверхности) наблюдается вспахивание, так как трение скольжения в этом случае меньше. Точно так же трудно ездить на велосипеде со спущенными шинами, потому что в этом случае больше трение качения.
Примечание. Трение качения является слабой силой. Кроме того, коэффициенты трения скольжения в 100–1000 раз больше, чем коэффициенты трения качения для тех же материалов. Это происходит главным образом потому, что точка контакта находится больше в скольжении, чем в трении качения. Чем больше площадь поверхности, тем больше трение.
Разница между трением на холмах и скользящим трениемСопротивление/ трение | Сдвиг/ Сопротивление | ||
, когда мяч или велосипед на колясках на поверхности | , когда мяч или велосипед на вершине | ||
. они скользят друг по другу. | |||
Причина: деформация поверхности при прокатке | Из-за блокировки микроскопической поверхности. | ||
Зависит от геометрии объекта, веса объекта и площади контакта. | Зависит от гладкости поверхности и веса предмета. |
У трения есть как плюсы, так и минусы, которые одинаково важны. Мы никогда не можем сказать, перевешивают ли преимущества недостатки или наоборот. Трение помогает нам безопасно ходить и водить машину. И именно трение помогает нам писать на бумаге. По этой же причине ваша машина стоит на месте, когда вы не ускоряетесь.
В отличие от всех плюсов, трение вызывает износ механизмов. Это также вызывает потерю энергии в виде тепла. Следовательно, мы не можем устранить трение, поскольку оно помогает нам во многих отношениях, но мы также должны контролировать его, чтобы свести к минимуму потери энергии и защитить наше оборудование.
Определение трения качения можно сформулировать следующим образом: трение качения — это сила, противодействующая движению тела качения, колеса или шарика по поверхности. На степень трения качения влияет множество вредных факторов. Есть достоинства и недостатки трения качения, которые были ясны на примерах трения качения. Хотя трение качения слабое, оно очень полезно в повседневной жизни.
Часто задаваемые вопросы (FAQ) 1. Что такое трение качения?Трение качения можно определить как силу, ограничивающую движение объекта, например колеса или шарика, катящегося по поверхности. Его можно представить следующим образом:
Fr = 𝜇rW
Fr = сила трения качения
𝜇r = коэффициент трения качения
W= общий вес тела
2. Какие факторы влияет на трение качения?На трение качения влияет несколько факторов. Некоторые из них перечислены ниже.
- Плавность тел качения.
- Качество поверхности качения
- Деформация поверхностей.
- Начальная скорость колеса или кузова.
- Загрузка.
- Радиус объектов, которые катятся.
Трение качения очень полезно в нашей повседневной жизни. Есть много примеров трения качения, и некоторые из них перечислены ниже.
- Велосипеды с более широкими шинами потребляют больше топлива из-за трения качения.
- У роликового конька больше контакта поверхности с колесом, что приводит к большему трению качения, чем у роликовых коньков.
- Баскетбольный мяч, катящийся по полю, постепенно останавливается из-за трения качения.
Объект остается неподвижным из-за статического трения
Трение возникает, когда люди пытаются переместить неподвижный объект по поверхности, фактически не вызывая никакого относительного движения между телом и поверхностью.
Определение, формула, законы, причины и примеры
0
Сохранить
Скачать публикацию в формате PDFТрение качения — это тип кинетического трения. Это сила, противодействующая движению катящегося тела. Прежде чем изучать трение качения, давайте сначала обсудим, что такое трение. Трение – это сила сопротивления поверхностей, соприкасающихся друг с другом. Например, ходить по дороге, писать в блокноте, на доске или на любой поверхности, скользить по горке или тормозить в транспортном средстве.
Трение зависит от трех факторов а именно:
- Шероховатость поверхности
- Масса предмета
- Площадь контакта
Познакомимся подробнее о трении качения, его определении, формуле, законах, причинах, коэффициенте и примеры вместе с часто задаваемыми вопросами
Что такое трение качения?
Трение качения – это сила, противодействующая движению тела качения. Всякий раз, когда мяч катится по земле, он в конце концов останавливается. Это связано с тем, что мяч испытывает сопротивление в направлении своего движения, т. е. какая-то сила противодействует его движению и тормозит скорость мяча. Эта противодействующая сила известна как трение качения. Основной причиной трения качения является деформация поверхностей. Например, шарикоподшипники испытывают трение качения, автомобильные шины, шар для боулинга и т. д. 9n\)
Здесь F= трение качения
K= нагрузка
L= постоянная до дробной мощности.
\(F=\mu\times\frac{W}{r}\)
Здесь F= сила трения качения
\(\mu\)= коэффициент трения качения
W= нагрузка (вес /масса)
r= радиус кривизны.
Законы трения качения
Трение качения основано на трех законах движения, которые мы изучали ранее, а именно:
- По мере увеличения гладкости сила трения качения уменьшается.
- Трение качения является произведением нагрузки и постоянной в дробной степени.
- Сила трения качения прямо пропорциональна нагрузке и обратно пропорциональна радиусу кривизны.
Причины трения качения
Основной причиной трения качения является то, что энергия деформации больше энергии восстановления. Более того, между двумя поверхностями существует некоторая сила сцепления, которую требуется постоянно преодолевать.
Общая сила трения качения, действующая на тело, зависит от таких факторов, как
- Качество тела скольжения
- Качество поверхности
- Нагрузка (вес/масса)
- Диаметр тела качения
- Площадь поверхности тела
Коэффициент трения качения
Коэффициент трения качения представляет собой отношение силы трения качения к общему весу объекта.
Математически коэффициент трения качения может быть выражен как \( F= \mu × W\)
Здесь F= сила трения качения
\(\mu \)= коэффициент трения качения
W= нагрузка (вес/масса)
Примеры трения качения
Вот несколько примеров трения качения:
- Более толстые велосипедные колеса снизят скорость велосипеда, потому что большая поверхность колеса создает трение вдоль поверхности и замедляет велосипед.
- При ударе по футбольному мячу, покрытому травой, он будет падать быстрее, чем при ударе по ровной твердой поверхности, так как трение качения на покрытом травой поле очень велико.
- Баскетбольный мяч, катящийся по площадке, медленно останавливается из-за трения качения между землей и мячом.
Difference Between Rolling Friction and Sliding Friction
The differences between rolling friction and sliding direction have been listed in the table below:
Rolling Friction | Sliding Friction |
It is сила, противодействующая вращательному движению катящегося тела. | Сила сопротивления, существующая между двумя телами при их скольжении друг относительно друга, называется трением скольжения. Эта сила необходима для того, чтобы одна поверхность скользила по другой. |
Основной причиной трения качения является деформация поверхностей. | Трение скольжения происходит из-за сцепления между микроскопическими поверхностями. |
Всякий раз, когда мяч катится по земле, он в конце концов останавливается, потому что мяч испытывает сопротивление в направлении своего движения, т. е. какая-то сила противодействует его движению снаряда и замедляет скорость мяча. , эта противодействующая сила известна как трение качения. | Например, для соскальзывание с горки или скольжение блока по полу. |
Надеюсь, эта статья была полезна для подготовки к экзаменам. Вы также можете ознакомиться с другими разделами по физике. Получите помощь от экспертов, чтобы подготовиться к экзаменам с избранными учебными материалами, пробными тестами и ценными советами, которые помогут вам получить более высокие оценки на экзамене. Загрузите бесплатное приложение Testbook, чтобы получить эксклюзивные предложения прямо сейчас.
Часто задаваемые вопросы о трении качения
Q.1 Что такое трение качения?
Ответ 1 Это сила, противодействующая движению катящегося тела. Всякий раз, когда мяч катится по земле, он в конце концов останавливается. Это связано с тем, что мяч испытывает сопротивление в направлении своего движения, т. е. какая-то сила противодействует его движению и тормозит скорость мяча. Эта противодействующая сила известна как трение качения.
Q.2 Почему трение качения меньше трения скольжения?
Ответ 2 При трении качения площадь взаимодействия между двумя поверхностями очень мала, тогда как при трении скольжения между двумя поверхностями возникает блокировка, что увеличивает силу трения при трении скольжения. Следовательно, трение качения меньше трения скольжения.
Q.3 Чем вызвано трение качения?
Ответ 3 Возникает из-за деформации поверхности.