Лабораторная работа № 9. Определение силы трения скольжения

Цель работы: экспериментально определить силу трения скольжения, используя законы сохранения импульса и изменения механической энергии.

Теоретические сведения На любое движущееся тело действуют силы трения.

Внешним (сухим) трением называют явление, заключающееся в возникновении касательных сил, препятствующих относительному перемещению тел, в месте контакта этих тел.

Если тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о трении покоя; при их относительном перемещении говорят о трении скольжения.

Г. Амонтон и Ш. Кулон установили опытным путем закон статического трения: Предельное значение силы статического трения прямо пропорционально значению силы нормального давления тела на опору, т. е.

;(1).

где м* - коэффициент статического трения; м* зависит от материала и состояния поверхности соприкасающихся тел.

Для трения скольжения закон Амонтона-Кулона записывается аналогично (1):

(2).

где м — коэффициент трения скольжения.

удар скорость маятник коэффициент При малых скоростях на малом интервале ОА сила трения приближенно постоянна, затем уменьшается, достигает минимума и начинает возрастать (рис.1). Строгой теории сил трения еще нет, но можно дать следующее объяснение возникновению сил трения: на поверхностях тел имеются отдельные выступы. При зацеплении их существенную роль играют силы молекулярного притяжения, действующие в зацеплениях. Соприкосновение тел происходит в действительности на отдельных участках. Их общая площадь значительно меньше видимой площади соприкосновения. На этих участках создаются высокие местные давления, которые вызывают деформации поверхностного слоя и взаимное внедрение отдельных микрочастей тел.

При действии сил трения скольжения всегда происходит превращение механической энергии во внутреннюю, в результате тела нагреваются. Силу трения поэтому называют диссипативной. Работа силы трения по любому пути обычно отрицательная (Aтр < 0).

Для определения силы трения скольжения в данной работе применимы законы сохранения импульса и изменения механической энергии при неупругом соударении пули с цилиндром. При выстреле из пружинного пистолета П пуля попадает в цилиндр Ц, перемещаясь с ним по направляющей Н (рис.2). По шкале линейки Л определяется величина перемещения цилиндра с пулей при действии силы трения скольжения в месте контакта цилиндра с направляющей.

Рассмотрим систему «пуля-цилиндр». В направлении выстрела (ось х) сохраняется проекция импульса этой системы, т. е.

(3).

где m1 и m2 — массы пули и цилиндра соответственно; Vx и Ux — проекции скоростей пули до удара и системы после удара пули соответственно.

На систему «пуля-цилиндр» после удара действует сила трения скольжения. Учитывая, что потенциальная энергия этой системы не изменяется, применяем закон изменения механической энергии:

(4).

где Fтрl — абсолютное значение работы силы трения скольжения при перемещении цилиндра с пулей на расстояние l.

Аналогично имеем для системы «пружина-затвор-пуля» :

(5).

где k — коэффициент упругости; х — деформация пружины; m3 — масса затвора (затвор остается в стволе); F’тр — абсолютное значение работы силы трения при перемещении затвора с пулей в стволе на пути х (ввиду ее малости принимаем равной нулю).

Из (3), (4) и (5) получаем.

.(6).

Примечание. Величины k, m1, m2 указаны на установке; m3? 0.

Закон сохранения полной механической энергии Полная механическая энергия консервативной системы, находящейся в стационарном потенциальном поле, постоянна:

.

где Uсоб — собственная потенциальная энергия системы — это энергия взаимодействия друг с другом всех частиц системы. Она зависит от взаимного расположения частиц системы; Uвнеш — внешняя потенциальная энергия системы — это сумма потенциальных энергий всех ее частиц, находящихся во внешнем стационарном потенциальном поле; K — кинетическая энергия системы — это сумма кинетических энергий составляющих ее частиц.

Если работа сил стационарного поля над частицей не зависит от пути, пройденного частицей, а зависит только от начального и конечного положения частицы, то такие силы называются консервативными, а поле потенциальным.

Закон изменения механической энергии. Приращение механической энергии частицы равно работе неконсервативных сил.

Закон сохранения импульса Замкнутой системой называется система, на которую не действуют никакие внешние тела (или их взаимодействием можно пренебречь).

Импульс системы частиц остается постоянным, т. е. не меняется со временем, если система замкнута или сумма всех внешних сил, действующих на частицы этой системы, равна нулю:

У незамкнутой системы может сохраняться не импульс, а его проекция px на направление х, если результирующая проекций всех внешних сил на это направление равна нулю.

Закон изменения импульса. Производная импульса по времени оказывается равной векторной сумме всех внешних сил (векторная сумма всех внутренних сил равна нулю), действующих на частицы системы Оборудование: массивный цилиндр, пружинный пистолет.

Рабочее задание: определить силу трения скольжения при качении массивного цилиндра.

Порядок выполнения работы.

• 1. Отвести затвор 3 пистолета П в крайнее положение (фиксирование его происходит автоматически). Смещение затвора соответствует сжатию х пружины. Поместить пулю в ствол пружинного пистолета.
• 2. Переместить цилиндр Ц в сторону ствола пистолета до упора.
• 3. Нажатием сверху вниз на спуск С произвести выстрел. По шкале линейки Л определить перемещение l цилиндра с пулей.
• 4. Опыт повторить 5 раз, найти среднее значение .

Содержание отчета Вычислить силу трения скольжения, подставляя l = в (6). Результаты измерений и вычислений записать в табл.1 и 2.

Таблица 1.

Таблица 2.

Контрольные вопросы.

• 1. Сформулировать закон Амонтона-Кулона.
• 2. Сформулировать закон сохранения и изменения импульса.
• 3. В каких случаях можно применять закон сохранения импульса для незамкнутых систем?
• 4. Вывести расчетную формулу для определения силы трения скольжения.
• 5. Сформулировать закон сохранения и изменения механической энергии.
• 6. Определить путь, проходимый телом до остановки, если заданы начальная скорость Uo тела после удара и коэффициент трения м тела о поверхность.

Список использованных источников

.

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.1. Механика. Молекулярная физика. — СПб.: Лань, 2007. — 432 с.- гл. II, § 15, 20−22, 24, 27.