ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы по физике

для студентов всех специальностей

всех форм обучения

 

 

Электронное издание локального распространения

 

 

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

 

 

Саратов-2011

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

 

 

Составитель – Павлова Мария Валентиновна

 

Рецензент – Беляев Илья Викторович

 

 

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

http: // lib.sstu.ru

 

 

© Саратовский государственный

технический университет 2011 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

 

Трение является одним из наиболее распространенных физических явлений. Существует много различных видов трения. Различают внешнее трение, которое может быть сухим или граничным, и внутреннее трение. Внешнее трение можно подразделить на трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Во всех случаях трение проявляется в том, что возникает сила сопротивления, препятствующая движению одного тела относительно другого. Такая сила может возникнуть как при взаимном перемещении, так и при относительном покое двух тел. Эту силу называют силой трения.

Общим для всех видов трения является процесс рассеяния энергии (диссипация). Движение из механической формы переходит в другие формы движения, например, в молекулярно-тепловую.

Трение покоя возникает между телами, когда приложенной силы недостаточно, чтобы привести тело в относительное движение. Например, тяжелый брусок на горизонтальной поверхности стола не придет в движение, пока приложенная к нему сила F не превзойдет некоторой определенной величины . При этом на брусок со стороны стола действует сила трения покоя , уравновешивающая внешнюю силу F. Сила трения покоя равна внешней силе, и направлена всегда в противоположную ей сторону. Максимальное значение силы трения покоя равно (рис.1).

Трение скольжения возникает, когда внешняя сила F превышает максимальную силу трения покоя . Тело начинает скользить и появляется сила трения скольжения. При небольших относительных скоростях сила трения скольжения меньше, чем сила трения покоя, поэтому сдвинуть с места тяжелый предмет труднее, чем тянуть его Рис.1

по горизонтальной поверхности.

Наличие трения покоя обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля с поверхностью дороги. В частности, для увеличения величины этого сцепления разрабатываются специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

Трение скольжения между разнородными поверхностями меньше, чем между однородными, поэтому вкладыши подшипников скольжения и вал делают из разных материалов. Трение уменьшается также при увеличении твердости трущихся тел. Для уменьшения трения подшипники в часах делают из твердых камней: рубина или агата.

Трение качения появляется, когда, например, колесо катится по рельсу. Трение качения значительно меньше трения скольжения, поэтому большое применение находят подшипники качения, в которых трение скольжения оси во втулке заменяется трением качения шариков. Потери на трении в шариковом подшипнике в 20-30 раз меньше, чем в подшипнике скольжения.

Для уменьшения силы трения широко применяются различные смазки. Смазка уменьшает трение в среднем в 8-10 раз. Причина уменьшения трения в том, что твердые поверхности разделяются слоем смазки и перестают касаться друг друга. При этом скользят относительно друг друга отдельные слои жидкости. Трение между слоями жидкости – это внутреннее трение. Оно значительно меньше внешнего. Для смазки пригодны лишь достаточно вязкие жидкости, которые не выдавливаются из тонкого промежутка между трущимися поверхностями. Происхождение сил трения весьма разнообразно. В зависимости от того, является ли трение внешним или внутренним, сухим или граничным, как обработаны поверхности, в каких условиях они находятся, возникновение сил трения объясняется разными физическими явлениями.

В случае сухого трения при грубой шероховатости поверхности основной причиной возникновения сил трения являются углубления и выступы этих поверхностей, частично входящие друг в друга. При движении одной поверхности по другой эти выступы разрушаются, вещество измельчается. На разрушение затрачивается некоторая работа, следовательно, при перемещении возникает сила, задерживающая движение.

При гладких поверхностях механизм трения другой. В этом случае касание твердых тел происходит лишь, в отдельных точках, так как обработка не бывает идеальной. В местах касания создаются "мостики" реального контакта между телами, образующиеся из поверхностных пленок, покрывающих твердое тело. Материал в этих "пятнах прилипания" при относительном движении тел непрерывно срезается, и создаются новые точки контакта. При этом возникает сила сопротивления движению.

В глубоком вакууме (например, в космосе) металлы не покрываются окисными пленками, поэтому "мостики контакта" создаются из самих металлов. Разрушить их очень трудно и сила трения значительно возрастает.

Особый интерес представляет граничное трение. Некоторые вещества (например, жирные кислоты) образует на поверхности металла так называемый "молекулярный ворс". Удлиненные молекулы этих веществ, называемых поверхностно-активными, ориентируются перпендикулярно поверхности металла. Удерживаясь благодаря силам сцепления, молекулы стоят на поверхности металла как частокол. На первом слое молекул может отложиться второй, молекулы которого ориентированы параллельно молекулам первого слоя. При относительном движении тел молекулы не допускают непосредственного контакта между твердыми телами. Скольжение происходит между слоями ориентированных молекул. При этом силы трения значительно уменьшаются.

С явлением внутреннего трения вы познакомитесь, выполняя работу "Изучение внутреннего трения в жидкостях".

Несмотря на огромную роль законов трения в технике, полной теории трения до сих пор нет.

Законы сухого трения были впервые экспериментально установлены Амонтоном и позднее обобщены Кулоном. Закон Амонтона - Кулона можно сформулировать следующим образом: величина силы трения не зависит от величины площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе нормального давления , с которой одно тело действует на другое. Поэтому можно записать:

 

. (1)

 

Безразмерный коэффициент называется коэффициентом трения (соответственно покоя или скольжения). Значение коэффициента зависит от материала поверхностей взаимодействующих тел, качества их обработки и, в общем случае, от их относительной скорости . Впрочем, как установил Кулон, зависимость коэффициента трения от скорости выражена слабо, так что, когда не требуется большая точность, коэффициент можно считать независящим от скорости .

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 - 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 ( > 1), это означает, что между контактирующими телами возникает адгезия – сцепление поверхностей разнородных твёрдых тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием в поверхностном слое.

Из закона Амонтона - Кулона следует независимость силы трения от номинальной площади контакта взаимодействующих тел. Физический смысл этого утверждения остается предметом дискуссий в настоящее время.

 

Сила трения качения определяется по формуле

где r - радиус катка (цилиндра, колеса);

- сила, с которой каток прижимается к опоре;

- коэффициент трения качения, имеющий размерность длины.

В большинстве традиционных механизмов (двигатели внутреннего сгорания, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения, как уже отмечалось, используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем и наноэлектромеханических систем величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии – раздела физики, в котором изучаются процессы взаимодействия твердых тел при их относительном перемещении (процессы трения, изнашивания и смазки).

 

Коэффициент трения покоя удобно определять, находя так называемый угол трения. Если брусок поместить на наклонную доску, то при углах наклона к горизонту меньших некоторого предельного угла , брусок будет удерживаться на доске силой трения покоя . Увеличивая угол наклона, можно добиться, чтобы брусок начал скользить. Перед началом движения сила трения покоя достигает своей максимальной величины . Угол , при котором начинается скольжение, называется углом трения.

Коэффициент трения материала (из которого сделан брусок) по материалу доски (наклонной плоскости) можно определить, находя угол трения на откате. Для определения коэффициента трения рассмотрим силы, действующие на брусок.

На брусок действуют три силы: cо стороны Земли - сила тяжести , со сторона доски - сила нормального давления и сила трения покоя (рис. 2). Векторная сумма всех трех сил равна нулю, и брусок покоится. Иначе говоря, равнодействующая сил и , которая стремится сдвинуть брусок, уравновешена силой трения покоя .

 

 

Рис.2

 

При увеличении угла наклона доски увеличивается равнодействующая сил и (рис.3), при этом возрастает и сила трения покоя до тех пор, пока она не достигнет своего максимального значения . При дальнейшем увеличении угла наклона равновесие сил нарушается, и брусок начнет скользить по доске. Угол , при котором начнется скольжение, зависит от коэффициента трения покоя между материалами бруска и доски.

 

Рис.3

 

По определению коэффициента трения покоя:

. (3)

Из рис. 3 видно, что

,

следовательно,

_, (4)

 

то есть коэффициент трения покоя равен тангенсу угла трения.

 

 

Задание1