Лабораторная работа «Изучение законов трения»
Цель работы: 1) изучить методы определения коэффициентов трения покоя и трения скольжения;
2) проверить выполнение законов трения.
Приборы и принадлежности:
1) трибометр;
2) набор колец из исследуемого материала;
3) диск с осью;
4) динамометр;
5) набор грузов.
Теория
Трение является одним из проявлений контактного взаимодействия тел. Трение различают двух видов: внешнее и внутреннее. Силы внешнего трения возникают на поверхности контакта двух тел; приложены они к телам в соответствии с третьим законом Ньютона и направлены по касательной к поверхности контакта. Внутреннее трение – это тангенциальное взаимодействие между слоями одного и того же тела. Внешнее трение, которое возникает между сухими поверхностями твердых тел, называется сухим.
Сухое трение
Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.
Трение покоя. Обратимся к следующему опыту. Положим массивный брусок на горизонтальную крышку стола и попытаемся сдвинуть его с места, действуя в горизонтальном направлении на нить, прикрепленную перпендикулярно к одной из его вертикальных граней. Для измерения силы, действующей на брусок, воспользуемся пружинным динамометром Д (рис. 1).
Рис. 1. Демонстрация внешнего трения покоя
Проведем серию экспериментов по измерению силы трения покоя при различных условиях: будем изменять силу, прижимающую брусок к поверхности стола, площадь соприкосновения бруска со столом, заменять один брусок другим, изготовленным из другого материала или того же материала, но с другой обработкой его поверхностей. В результате наблюдений прослеживаются закономерности, на которые указывали еще Амонтон в 1699 г. и независимо от него Кулон в 1785г., и которые уточнены в процессе развития физики.
1. Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления, т.е. силе, перпендикулярной к поверхности соприкосновения тел и прижимающей соприкасающиеся поверхности друг к другу
Вводя безразмерный коэффициент пропорциональности μ, называемый коэффициентом трения покоя, и переходя от пропорциональной зависимости к равенству, получим уравнение, которое называют законом Кулона:
.
2. При одной и той же силе нормального давления N максимальная сила трения покоя (а следовательно, и коэффициент μ) зависит от физической природы соприкасающихся тел и обработки их поверхностей.
3. При одной и той же силе нормального давления максимальная сила трения покоя (так же и μ) не зависит от площади соприкосновения их поверхностей.
Отмеченные
закономерности носят приближенный
характер. Это связано с тем, что
зависит от большого числа факторов,
многие из которых просто не поддаются
учету (наличие на соприкасающихся
поверхностях окислов, влаги, адсорбированных
газов и др.). Строгой теории сил трения
покоя, как и сил сухого трения, до
настоящего времени не создано. Но в
общих чертах механизм возникновения
трения покоя выглядит так.
Поверхность твердого тела, даже хорошо отшлифованного, далеко не ровная. На ней имеются микровыступы, впадины, трещины; часто эта поверхность покрыта окислами, прилипшими слоями газа или жидкости, посторонними включениями. При соприкосновении поверхностей двух тел микровыступы частично попадают в соответствующие впадины (при большом увеличении соприкасающиеся поверхности будут выглядеть, например, как нарисовано на рис.2). Естественно, что зацепление этих выступов будет препятствовать перемещению соприкасающихся тел друг относительно друга.
На ряде участков расстояние между соприкасающимися телами может оказаться порядка радиуса действия молекулярных сил. Это приведет к слипанию тел на данных участках, что также препятствует их относительному перемещению.
Внедрению микровыступов и частичному слипанию поверхностей способствует внешняя сила нормального давления N, прижимающая твердые тела друг к другу. Этой силой может служить сила тяжести или ее нормальная компонента (если тело лежит на наклонной плоскости), а также любая другая сила, перпендикулярная поверхности соприкосновения тел.
Сила тяги, меньшая максимальной силы трения покоя, вызывает в основном упругие деформации микровыступов и областей, где действуют силы молекулярного сцепления. Возникшая сила упругости и есть, по существу, сила трения покоя.
Сила трения покоя зависит от качества обработки поверхностей. У шлифованных поверхностей трение обычно меньше, чем у грубо обработанных поверхностей. Но это справедливо лишь до известных пределов. Именно, опыт показывает, что при очень тщательной шлифовке тела прилипают друг к другу, что вызывает резкое возрастание коэффициента трения. По–видимому, у грубо обработанных поверхностей основную роль в возникновении силы трения играют зацепления выступов, а при тщательной шлифовке – молекулярное сцепление.