Лабораторная работа № 2.
«Изучение законов трения»
Цель работы: 1) Изучить методы определения коэффициентов трения
покоя, трения скольжения;
2) Проверить выполнение законов трения.
Литература: 1. Александров Н.В., Яшкин А.Я. Курс общей физики.
Механика. М., Просвещение, 1978, с. 82-93.
2. Архангельский М.М. Курс физики. Механика. 1975.
гл.4, § 3-6.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики.
Механика, 1978. с. 86-91.
Приборы и принадлежности: 1. Трибометр,
2. Шнурок с чашкой для гирь,
3. Брусок с крючками,
4. Набор гирь,
5. Секундомер,
6. Рычажные весы,
7. Линейка,
8. Прямоугольный треугольник.
I. Теория
Тангенциальные силы, возникающие между соприкасающимися телами (покоящимися или движущимися относительно друг друга), называют силами трения. По происхождению они относятся к электромагнитному взаимодействию атомов и молекул тел.
Силы сухого трения возникают, например, между несмазанными соприкасающимися поверхностями тел. На величину этих силу существенно влияют состояния поверхностей, их обработка, наличие загрязнений и т.д.
Трение покоя. Характерной чертой сухого трения является то, что сила сухого трения может существовать и тогда, когда тело не движется, т.е. существует сила трения покоя.
Величина и направление силы трения покоя определяется величиной и направлением той внешней силы, которая должна была бы вызвать скольжение. Сила трения покоя всегда равна по величине и противоположна по направлению этой внешней силе.
Сила трения покоя не может превосходить некоторого определенного значения, которая называется максимальной силой трения покоя.
До тех пор, пока внешняя сила не превосходит максимальной силы трения покоя F mах скольжения тела не возникает.
Трение скольжения. Когда внешняя сила достигает величины F mах, возникает скольжение. Силу трения в этом случае называется силой трения скольжения.
Сила трения скольжения зависит от рода материала тел, степени обработки их поверхности, их площади и от скорости скольжения.
В некоторых специальных случаях, (трение металлических тел с очищенной поверхностью или твердых тел со специальной обработкой) сила трения скольжения для сравнительно небольшого интервала скоростей примерно равна придельной силе трения покоя и не зависит от скорости движения.
Законы трения. Законы трения были впервые изучены Амонтоном (XVII в) и Кулоном (XVIII в). Они были уточнены в процессе дальнейшего развития физики и формулируются следующим образом:
1. Величина максимальной силы трения покоя пропорциональна силе N, прижимающей трущиеся поверхности и действующей нормально к поверхности тел. 
, где mо - коэффициент трения покоя.
2. Коэффициент трения зависит от рода материалов.
3. Коэффициент трения зависит от степени обработки трущихся поверхностей.
4. Сила трения зависит от относительной скорости движения тела.
5. Коэффициент трения не зависит от величины площади соприкосновения трущихся поверхностей.
1.1. Определение коэффициента трения покоя методом предельного угла.
Коэффициент трения покоя mо можно определить методом предельного угла, пользуясь трибометром (от греческого «трибо» – трение, см. рис.1).
D 
У
h
Х
b a A
Рис.1.
Плоскость AD может вращаться вокруг оси, проходящей через точку А. (перпендикулярно плоскости рисунка). Положив брусок на горизонтальную плоскость, а затем, осторожно приподнимая ее, замечаем, что при некотором угле брусок сдвигается с места и начинает скользить по плоскости.
Этот угол называется предельным углом наклона.
Для определения коэффициента трения mо рассмотрим силы, действующие на брусок. На него действует сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения . Если рассматривать граничное условие покоя, то есть когда брусок только начинает двигаться, то можно считать, что под действием всех этих сил брусок находится в состоянии покоя. Применив первый закон динамики для бруска, имеем:
+ + = 0 (1)
Запишем это равенство в проекциях на ось Х и У. Ось Х выберем совпадающей с направлением движения бруска. Ось У – с направлением силы реакции опоры N.
| (2) (3) |
Решая систему уравнений (2) и (3) с учетом того, что 
, а Рn=N=mg·cosα получим
. (4)
По этой формуле и определяется коэффициент трения покоя μо.
Определение коэффициента трения скольжения.
Коэффициент трения скольжения можно определить, пользуясь установкой на рис.2.
рис.2
Брусок А массой m соединений невесомой и нерастяжимой нитью с чашкой B, массой m1, в которую помещены гири массой m2. Брусок может скользить по поверхности CD. На чашку В помещают гири такой массы, при которой брусок А начинает скользить с небольшим ускорением без начального толчка. При рассмотрении движения бруска применим второй закон динамики. Для этого рассмотрим силы, действующие на брусок (см.рис.2). Это силы: тяжести , реакции опоры , упругости нити 
, трения . Под действием этих сил брусок движется с ускорением 
. Уравнение 2-го закона динамики для бруска запишется так: 
. В проекции на ось Х имеем: 
. В проекции на ось Y имеем: 
таким образом, N=mg.
В соответствии с 3-м законом динамики Pn=N, поэтому
(5)
Массу бруска можно определить взвешиванием. Ускорение а можно найти, пользуясь уравнением равноускоренного движения без начальной скорости: 
откуда 
(6),
где l – путь, пройденный бруском при равноускоренном движении,
t – время, в течении которого брусок проходит расстояние l.
Для определения 
рассмотрим движение чашки В с гирями. Так как нить не растяжимая, то любая ее точка движется с тем же ускорением а, что и брусок. На чашку с гирями действуют силы: тяжести 
и упругости со стороны нити Т (рис.2). Так как нить и блок невесомы, то сила упругости равна силе натяжения нити Т.
. (7)
Силу Т определим, используя 2-й закон динамики для чашки с гирями
. (8)
В проекции на ось У (направленную вертикально вверх) выражение (8) примет вид:
, тогда
(9)
Подставив (9) и (7) в (5), получим
. (10)
Все величины, входящие в формулу (10), можно определить опытным путем.