22

Фгоу впо «калининградский государственный технический университет»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ШАРОВ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2008

ОГЛАВЛЕНИЕ:

стр.

1. Введение……………………………………………………………………… 2

2. Сцепление и сопротивление при качении тел по твёрдым поверхностям…………………………………………………………. .. …… 3

3.Уравнения динамики и энергетического баланса при качении тел по

наклонным поверхностям…………………………………………………..…... 6

3.1.Уравнения динамики и расчёты коэффициента

сопротивления качению………………………………………………….…….. 6

3.2.Уравнения энергетического баланса, расчёты и методика

определения коэффициента сопротивления качению……………………….… 9

4. Порядок выполнения работы………………………………………… 12 4.1.Экспериментальная часть……………………………………………..….. 12

4.2.Задание№1. Измерение коэффициента сопротивления

качению для стальных шариков…………………………………...…………... 12

4.3.Задание№2. Исследование столкновения стальных шариков

при качении………………………………………………….…………………...15

Вопросы для проверки…………………………………………….…………….18

Список литературы……………………………………………..………………..19

Приложение. Классификация катящихся тел в зависимости от

способа качения………………………………………………………..……… 19

Цель работы:

1. Изучение законов динамики при качении тел по наклонным поверхностям;

2. Изучение энергетического баланса при качении тел по наклонным поверхностям;

3. Измерение коэффициента сопротивления качению для стальных шариков;

4. Исследование столкновения стальных шариков при качении.

1. Введение

1.1. Качение (катание) – это разновидность плоского либо совокупность поступательного и сферического движений твёрдого тела. Катиться могут только тела с радиальной симметрией, имеющие центр симметрии (шары) или ось симметрии (цилиндры, обручи, а также тела специальных форм: колёса, катушки и т. п.).

Обычно тела катятся по твёрдым (горизонтальным либо наклонным) поверхностям. При этом в точках касания между телом и опорной поверхностью должна действовать сила сцепления F_сц. При полном сцеплении точки тела, находящиеся в контакте с неподвижной опорной поверхностью, на мгновение теряют свои скорости. Такие точки называются мгновенными центрами скоростей (м. ц. с.) и через них проходит мгновенная ось вращения, относительно которой катящееся тело совершает поворот. Силы сцепления F_сц, приложенные к неподвижным точкам – м. ц. с., работу не выполняют. Следовательно, действие таких сил не изменяет механическую энергию катящихся тел.

Качение тел при наличии мгновенной оси называется нормальным качением или качением без скольжения. Если сцепление между телом и опорной поверхностью недостаточное, тогда в точках контакта происходит проскальзывание, и качение называется качением со скольжением. При этом действует сила трения скольжения F_тр, момент которой уменьшает угловую скорость тела. Силы трения F_тр, относятся к типу непотенциальных (диссипативных) сил, работа которых уменьшает механическую энергию катящихся тел посредством преобразования в тепловую энергию трущихся поверхностей. В результате – происходит нагревание опорной поверхности и движущегося тела.

1.2. Системы сил, приложенных к катящимся телам, и системы уравнений динамики, описывающих такое движение, имеют специфические особенности в зависимости: от типа движения при качении, от свойств опорных поверхностей, а также от способа качения тел. Эти вопросы изучаются в специальных курсах и имеют важное значение ввиду широкого применения качения тел в разнообразных технических устройствах. Например, практически все виды наземного транспорта (за исключением саней) используют катящиеся колёса, что позволяет снизить затраты энергии при перемещении грузов с достаточно высокими скоростями.

Снижение потерь энергии, т. е. повышение к. п. д. транспорта, объясняется тем, что сопротивление при качении в десятки и в сотни раз меньше, чем при скольжении тел по твёрдым поверхностям в условиях сухого трения.

1.3. В следующих разделах дано краткое описание физических явлений при качении тел по твёрдым поверхностям. Получены формулы для определения коэффициента сопротивления качению с использованием эксперимента.

Приводятся методики простых опытов по изучению сопротивления и столкновения при качении стальных шариков.