ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Определение КОЭФФИЦИЕНТА СИЛЫТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Определение КОЭФФИЦИЕНТА СИЛЫТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
Цель работы: определение коэффициента силы трения скольжения для различных тел с помощью вращающегося маховика.
Краткая теория
В большинстве случаев рассматривают силы «сухого» и «вязкого» трения. Сухое трение возникает при скольжении одного твёрдого тела по поверхности другого. Пусть тело 1 «прижато» к телу 2 и движется по его поверхности (рис.1). Прижимающая сила вызывает силу нормального давления 
и силу реакции опоры 
. Сила трения, действующая на тело 1 со стороны опоры 2 
, определяется силой реакции опоры и направлена против скорости тела относительно опоры 
. Согласно закону Кулона-Амонтона сила трения определяется соотношением:
где 
– коэффициент силы трения скольжения, зависящий от рода и состояния трущихся поверхностей (в первом приближении его можно принять за постоянную величину). Данная закономерность представлена графически на рис. 2. Силу трения, при скорости не равной нулю, удобно назвать силой трения скольжения.
Особенности силы сухого трения:
1. Эта сила (в определённом приближении) не зависит от величины скорости.
2. Существует сила трения покоя, модуль которой всегда меньше или равен 
. Сила трения покоя может быть равна любой величине в пределах от 
до 
(рис.2). Она всегда равна внешней приложенной силе, принуждающей к движению, но не создающей его.
Сила трения качения возникает при качении тела по поверхности другого тела и препятствует этому качению. Сила трения качения при тех же материалах соприкасающихся поверхностей тел всегда меньше трения скольжения. Сила трения качения определяется соотношением, полученным Ш. Кулоном:
,
где – сила реакции опоры, 
– коэффициент силы трения качения, 
– радиус катящегося колеса.
Вязкое трение возникает при движении тел в жидкости или газе. Сила вязкого трения, действующая на тело, зависит от формы, размеров тела и его скорости движения относительно жидкости. Она направлена противоположно направлению движения тела. Величина силы пропорциональна скорости.
Теория метода и экспериментальная установка
Для определения коэффициента силы трения скольжения используется установка, схема которой представлена на рис. 3. На основании 1 укреплен электродвигатель с маховиком 2 и рычаг в виде длинной металлической пластины 3. К нижней плоскости рычага напротив маховика крепится тонкая прямоугольная пластинка из материала с неизвестным коэффициентом трения скольжения о сталь. Рычаг может занимать два положения. В первом рычаг касается обода маховика на участке, где располагается пластинка. Силу давления рычага на маховик можно регулировать, нагружая его дополнительными грузами. Во втором положении, когда рычаг откинут, маховик не касается рычага.
Данный метод основан на измерении времени торможения ранее раскрученного маховика до его полной остановки. Допустим, с помощью электродвигателя маховику сообщили постоянную угловую скорость 
. Чтобы осуществить его торможение одновременно с отключением двигателя на маховик опускают рычаг с дополнительным грузом. Вращение системы «маховик – ротор» тормозится моментом сил трения в подшипниках 
и моментом силы трения скольжения 
между ободом маховика и рычагом ОА. Направления векторов угловой скорости 
, моментов и показаны на рис. 4. Моменты и направлены против угловой скорости вращения и являются постоянными по модулю. Следовательно, маховик вращается с постоянным угловым ускорением 
. Для маховика уравнение моментов в проекциях на ось 
будет иметь вид:
(1)
где 
– момент инерции маховика (
). Момент силы трения скольжения:
(2)
где 
– сила давления рычага с пластинкой (
) и груза (
) на маховик; – коэффициент силы трения скольжения; – радиус маховика (плечо силы).
Для определения ускорения 
воспользуемся кинематическим уравнением угловой скорости:
Принимая во внимание конечные условия (если время 
равно времени вращения маховика до остановки 
, то 
), находим
(3)
С учетом условий (2) и (3) перепишем уравнение (1):
(4)
Большинство величин, входящих в уравнение (4), определяются прямыми измерениями (, , , 
, ), но две из них 
и неизвестны. Чтобы получить второе уравнение, аналогичное (4), необходимо изменить условия торможения. Если при откинутом рычаге вновь раскрутить маховик до угловой скорости и затем электродвигатель отключить от сети, то момент сил трения в подшипниках останется единственным тормозящим моментом. Для этих условий перепишем уравнение (4):
(5)
где 
– время торможения маховика в новых условиях (с откинутым рычагом), очевидно 
.
После вычитания из (4) уравнения (5) находим:
Коэффициент силы трения скольжения:
(6)
где 
– частота вращения маховика в об/с (
об/мин).