из комплекта цифровой лаборатории

Изучение силы трения
Теоретические основы работы
Сила трения имеет электромагнитную природу, в основе ее лежат электрические
силы взаимодействия молекул. Силы трения возникают при соприкосновении твёрдых
тел и направлены вдоль поверхности соприкосновения противоположно
относительному перемещению. (Очевидно, что силы трения действуют на обе
соприкасающиеся поверхности, при этом они равны по величине и противоположны по
направлению). Если перемещения не происходит, между соприкасающимися телами
действуют силы трения покоя.
Сила трения покоя не имеет однозначной величины, она принимает такое
значение, при котором выполняется второй закон Ньютона. При изменении внешнего
воздействия соответственно меняется сила трения покоя. На рис.1а к телу приложена
параллельно поверхности сила F1 такая, что тело сохраняет состояние покоя. Очевидно,
что сила трения покоя по модулю равна этой силе F1. Если увеличивать силу F,
vотн.=0 , a=0
F1тр.пок
F1
F2
F2тр.пок.
Рис 1а. Fтр. пок.= F1
Рис.1б. Fтр. пок.= F2
увеличится и сила трения покоя (рис1б). При некотором определенном значении силы
Fmax тело сдвинется и начнёт скользить, сила трения покоя принимает максимальное
N2
N1
F1 тр.пок.max
F1
F2 тр.пок.max
F2
Fдавл
1
Рис.2а. F 1тр. пок.max.= μN1
Fдавл2
Рис.2б. F 2тр. пок. max.= μ N2
значение (рис. 2а) и становится силой трения скольжения.
Максимальное значение силы трения покоя зависит
1) от свойств соприкасающихся поверхностей: материалов, качества обработки
поверхностей, чистоты, наличия смазки – всё это определяется
коэффициентом трения μ.
2) от «степени проникновения» неровностей одной поверхности между
неровностями другой поверхности (сравните рис.2а и 2б), а это определяется
силой давления одной поверхности на другую или равной ей по величине
силой реакции опоры N.
Таким образом, максимальное значение силы трения покоя определяется формулой:
Fтр.пок.max= μпкN
(1)
Если сила, приложенная к телу параллельно поверхности, больше Fтр.пок.mаx, тело
скользит по поверхности. При этом на него действует сила трения скольжения. Сила
трения скольжения так же, как и сила трения покоя, направлена вдоль поверхности
соприкосновения в сторону противоположную относительной скорости и
пропорциональна силе давления тела на поверхность:
Fтр.ск= μскN
(2)
Коэффициент трения скольжения несколько меньше коэффициента трения покоя.
Неподвижно стоящее тело труднее сдвинуть с места, чем затем равномерно перемещать
по поверхности.
Непосредственное экспериментальное измерение силы трения покоя
затруднительно, но её величину можно найти, используя второй закон Ньютона при
условии v.=0 , a=0. Если тело покоится на горизонтальной поверхности несмотря
на действие горизонтальной силой F, в любой момент справедливо равенство
F=Fтр.пк. Экспериментальное наблюдение и измерение силы F, равной силе трения,
возможно произвести с применением оборудования цифровой лаборатории.
Коэффициент трения можно вычислить, используя формулу (1):
μ = Fтр. / N
(3)
Оборудование (из состава школьного кабинета)
(цифры в скобках совпадают с показанными на схеме установки на рис.4)
 опорная деревянная линейка или любая достаточно шероховатая поверхность (1)
 брусок (2)
 набор грузов (3)
из комплекта цифровой лаборатории
 датчик силы (4)
 интерфейс(5), преобразующий аналоговый сигнал с датчика (напряжение,
пропорциональное силе) в цифровой сигнал, понятный компьютеру
 соединительный кабель (6)
Подготовка установки к работе
Часть А.
Собираем установку в соответствии с рис.4.
 присоедините к датчику силы кабель для связи с интерфейсом;
 положите брусок на горизонтальную поверхность, на брусок установите
груз;
 установите датчик силы за бруском, как показано на рис.4а.
3
2
4
6
5
Рис. 4
Рис. 4а
Часть Б. Подготовим и настроим компьютерную часть Цифровой Лаборатории.
1. Подключаем датчик силы к Интерфейсу, последний соединяем с настольным
компьютером.
2. Открываем программу MultiLab. На панели меню открываем
Регистратор–Настройка регистратора.
3. Увидели название
присоединенного датчика –
нажимаем Далее.
4. Устанавливаем частоту замеров
в секунду – 25 и идем Далее.
5. Устанавливаем
время
проведения
регистрации 20с – настройка
завершена –
Финиш.
Порядок выполнения работы и обработка результатов
1. Чтобы начать регистрацию данных, нажмите на иконку бегущего человечка на
главной панели MultiLab.
2. Медленно и равномерно надавливайте датчиком силы на брусок, наблюдая
постепенный рост силы F и равной ей силы трения покоя.
3. При начале движения бруска старайтесь обеспечить равномерный характер
движения, наблюдая график зависимости силы трения скольжения от времени.
4. По умолчанию датчик силы калиброван так, что сила сжатия считается
отрицательной. Поэтому получаем на экране ПК картину аналогичную рис.5.
Обратите внимание, что в карте данных появилась информация о проведенном
опыте Эксп. 1.
5. Вырежем наиболее удачную часть графика, используя иконки меток на панели
графиков и опцию График–Отрезать. В карте данных появилась информация о
Рис.5
проведенной операции и строка
Вырезанные данные (рис.6).
6. В поле графика теперь одновременно
видны два графика. Чтобы остался один,
Рис.6
нужный нам, в карте данных наводим
курсор на соответствующее окошко с
цифрой 1 и двойным левым щелчком
закрываем ненужный график.
7. Чтобы снизить эффект колебаний значений силы, возникающих из-за
неравномерности движения системы, проведем операцию Сглаживания
(усреднения). Для этого поставим на график метку (можно вызвать ее двойным
щелчком левой, подведя курсор к линии графика). Теперь становится активным
знак усреднения – черный крест на панели графиков. Нажимаем эту иконку один
или два раза, добиваясь разумной степени усреднения. В карте данных
появилась информация о проведенной операции и строка Среднее
(Вырезанные данные).
8. Если хочется сделать вид графика более привычным, преобразуем набор данных
с помощью операции Модуль.
Откроем Мастера анализа с
помощью иконки fx
на основной
панели. На вкладке Преобразование
выбираем операцию Модуль, ОК.
(рис.7)
Рис.7
9. Теперь в поле графика одновременно присутствуют и F(t), и -F(t), ненужный
«спрячем» двойным левым щелчком (рис.8)
скольжение
покой
Рис.8
10. Выполненный таким образом эксперимент может служить демонстрацией,
сопровождающей лекцию о силах трения покоя и скольжения. Хорошо виден
эффект «залипания», отражающий факт, что коэффициент трения покоя больше
коэффициента трения скольжения.
11. Для определения коэффициентов трения покоя и скольжения по формуле (3)
надо определить значения F тр. и N. Поставив метку в соответствующие точки
графика, на информационной панели, расположенной под графиком, получим
значения F тр. Значение силы реакции опоры N, равной силе тяжести бруска с
грузами, получим, используя датчик силы в роли динамометра (в отдельном
опыте).
12. Для проверки количественных закономерностей нужно провести опыты с
разными грузами и построить на миллиметровке график зависимости силы
трения от силы давления. (В дальнейшем мы сможем сделать это и на экране ПК
с помощь программы MultiLab.)