Дослідження сил тертя за допомогою плоского трибометра.

Прилади та приладдя: плоский трибометр зі змінними пластинами і набори тіл із різних металів, різноваги.

Мета роботи: засвоїти один із методів визначення коєфіцієнта тертя ковзання.

 

Коротка теорія та метод вимірювання

 

Розрізняють два основні види тертя: внутрішне і зовнішнє. Внутрішнє тертя в твердих, аморфних тілах та рідинах має складний механізм, пов’язаний з деформацією. В твердих тілах внутрішнє тертя призводить до нагрівання деформованого тіла. В рідинах та газах воно проявляється як в’язкість – опір відносному переміщенню різних шарів речовини. Зовнішне тертя – це протидія відносному переміщенню прилягаючих тіл. Сила протидії спрямована вздовж стичних поверхонь.

Ми будемо вивчати зовнішнє тертя. Згідно закону Амонтона –Кулона сила зовнішнього тертя пропорційна силі нормальної реакції N між стичними тілами і не залежить від величини стичної поверхні тіл і швидкості їх відносного руху:

F = k N (1)

Коефіцієнт тертя k залежить від матеріалу тіл, що труться, якості обробки поверхонь, наявності на поверхнях забруднень або мастила. Закон (1) наближений і застосовується тільки для орієнтовних розрахунків. В дійсності явище тертя значно складніше: мають бути враховані сили міжмолекулярного зчеплення, величина стичних поверхонь, врешті закон (1) не враховує залежність сил тертя від швидкості відносного руху тіл, що труться, тобто не відрізняє статичне і кінематичне тертя.

Статичне тертя - це тертя між тілами, що знаходяться в стані спокою: при малих значеннях діючої на тіло сили воно залишається в спокою по відношенню до поверхні іншого тіла із-за наявності сили тертя спокою. Згідно з третім законом механіки сила тертя дорівнює за величиною і протилежна за напрямком прикладеній силі. При деякому максимальному значенні прикладеної сили тіло зривається з місця і починає рухатись. Така властивість сил статичного тертя називається застоєм. Причина статичного тертя - наявність сил молекулярного зчеплення і зачеплення нерівностей поверхонь тіл.

Після того, як тіло почало рухатись, статичне тертя змінюється кінематичним, причому величина сили кінематичного тертя виявляється меншою за максимальну силу тертя спокою. Кінематичне тертя зумовлене рядом причин, на яких ми зупинятися не будемо.

На сьогодні “точного” закону тертя не існує, тому на практиці коефіцієнт тертя визначають для різних пар тертьових матеріалів при різній якості обробки поверхонь, різних тисках і швидкостях руху, а результати подають у вигляді довідкових таблиць.

В даній роботі для вимірювання сил тертя застосовується плоский трибометр з набором пластин і тіл із різних матеріалів. Трибометр - це площина, кут нахилу якої до горизонту можна змінювати. Трибометр має градусну шкалу, затискач для фіксування кута нахилу, нерухомий блок для нитки і шальку для встановлення гир. Зовнішньо рушійною силою в такому трибометрі є сила натягу нитки, паралельна похилій площині, що визначається вагою гир, складової сили тяжіння тіла, паралельно похилій площині, а також силою тертя. Величину рушійної сили можна регулювати підбором маси гир і зміною кута нахилу площини трибометра. Застій долається легкими ударами молоточка по пластині.

Розглянемо рух тіла на похилій площині під дією вказаних сил. Розкладено силу тяжіння P, що діє на тіло, на дві складові – паралельну похилій площині (складова P₁) і перпендикулярну їй (складова P₂). Складова P₂ викликає з боку похилої площини рівновелику собі силу нормальної реакції N. В залежності від того, куди спрямована рівнодіюча всіх сил, прикладених до тіла, в тому напрямку буде прискорюватись тіло. Хай сила натягу нитки F΄ не менша від суми сили тертя F₁ і складової P₁ (рис. 1а). Тоді тіло рухається з прискоренням вгору. Якщо складова P₁ більша за суму сили натяг F΄ у нитки та силу тертя F₂, то тіло буде рухатись з прискоренням вниз (рис. 1б). При рівномірному ковзанні тіла вгору має виконуватись:

 

F΄ = P₁ + P₂. (2)

 

У співвідношенні (2) сила тертя F₁ = kN = Pcosα, а складова P₁ = Psinα. Підставляючи F₁ і P₁ в (2), знаходимо коефіцієнт тертя:

 

k₁ = F₁/ P cos (α₁) – tg (α₁). (3)

 

При рівномірному русі тіла вниз по похилій площені виконується рівність:

P₁ = F΄ + F₂. (4)

Після підстановки в (4) значень P₁ і F₂ для коефіцієнта тертя одержуємо

 

k₂ = tg (α₂) - F΄/ (P cos (α₂). (5)

 

З метою зменшення похибок, зумовлених різними значеннями сил нормального тиску та різного значення величини молекулярного зчеплення, за коефіцієнт тертя приймають половину суми (3) і (5):

k = (k₁ + k₂ )/2. (6)

У випадку найпростіших (грубих вимірювань) коефіцієнт тертя визначають без врахування додаткової сили F΄. При цьому підбирають такий кут α₃, при якому тіло рівномірно ковзає по похилій площині. В цьому разі співвідношення (5) приводить до

k ₃ = tg (α₃). (7)

а б

Рис. 1.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. За пропозицією викладача відібрати пластину та два тіла: 1 – сталь 3; 2 - антикорозійна сталь; 3 – латунь; 4 – дюраль.

2. Ретельно очистити крейдою поліровані поверхні до рівномірного блиску та зібрати ганчіркою залишки порошку з поверхні тіл.

3. Вставити пластинку на трибометр, фіксуючи її кінцевими стопорами через отвори.

4. Визначити вагу тіла з точністю до 5 г. Відпустити затискач, підійняти площину в верхнє положення і затиснути. Покласти тіло на площину, причепити до нього за гачок нитку з шалькою і покласти на шальку гирю вагою не більше ніж Р /2. Сила визначиться як сума ваги гирі і шальки.

5. Відпустити затискач та повільно зменшувати кут нахилу площини (постукуючи молоточком по пластині) доти, доки тіло не почне ковзати (без постукування) від нижнього до верхнього стопора. Записати кут нахилу α₁, відпустити площину, зняти гирю з шальки.

6. Обчислити за (3) коефіцієнт тертя k₁.

7. Підібрати гирю вагою не більше ніж P/4, покласти її на шальку та, повільно підіймаючи площину і постукуючи молоточком по пластині, знайти кут α₂, при якому тіло почне ковзати вниз по пластині. Записати кут нахилу α₂, опустити площину і відчепити нитку з шалькою.

8. За формулою (5) знайти k₂ і обчислити k за (6).

9. Покласти тіло на середину пластини, повільно підіймаючи площину і постукуючи молоточком по пластині, знайти кут α₃, при якому тіло почне ковзати вниз. За формулою (7) знайти k₃ порівняти його зі значенням k, визначивши різницю: Δk = k – k_3.

10. Результати вимірювань і розрахунків подати в таблиці:

 

P	F΄	α1	k1	F΄	α2	k2	k	α1	k3	Δk
Матеріали: пластин - …, бруска - …

 

Дайте відповідь на запитання:

 

1. Чи велика точність вимірювань коефіцієнта тертя?

2. Що називають кутом тертя?

3. Що таке внутрішнє тертя, зовнішнє тертя?

 

 

Лабораторна робота №5.