Badanie sił tarcia.pdf

(118 KB) Pobierz
POLITECHNIKA
Ś
L
Ą
SKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII
POLIMERÓW
LABORATORIUM Z FIZYKI
Badanie sił tarcia
Wprowadzenie
BADANIE SIŁ TARCIA
2
Tarcie
jest to zjawisko fizycznej dyssypacji energii kinetycznej na ciepło.
Siły tarcia
odgrywają
bardzo waŜną rolę w naszym
Ŝyciu
codziennym. Siły te, jeŜeli im nie przeciwdziałamy powodują
zatrzymanie kaŜdego poruszającego się ciała. W związku z tym wiele wysiłku poświęca się na
opracowanie metod pozwalających zmniejszyć tarcie. Z drugiej jednak strony, gdyby nie było
tarcia, nie moglibyśmy chodzić, pisać, nie byłoby transportu kołowego.
Z mikroskopowego punktu widzenia tarcie jest zjawiskiem bardzo skomplikowanym. Co dzieje
się na poziomie atomowym dokładnie nie wiadomo. Przypuszcza się,
Ŝe
moŜe dochodzić do
takiego zbliŜenia atomów naleŜących do wypukłości obydwu oddziaływujących powierzchni, co
prowadzi do tworzenia się „wiązań” pomiędzy atomami (oddziaływania sił elektrostatycznych).
Przesuwanie obiektu wzdłuŜ powierzchni jest często nierównomierne, być moŜe z powodu
tworzenia i zrywania tych „wiązań”. Nawet, gdy okrągłe przedmioty toczą się po powierzchni
nadal istnieje tarcie, nazywane
tarciem tocznym,
które jest zdecydowanie mniejsze od tarcia
poślizgu, które zwykle nazywane jest
tarciem kinetycznym.
Kiedy obiekt
ślizga
się po szorstkiej
powierzchni, siła tarcia kinetycznego działa w kierunku przeciwnym do prędkości obiektu.
Wielkość tej siły zaleŜy od rodzaju tych dwóch powierzchni. Siła tarcia jest wprost
proporcjonalna do siły normalnej, prostopadłej do powierzchni kontaktu (Rys.1.).
F
N
F
A
F
fr
G=mg
Rys.1.
Kiedy na obiekt działa siła F
A
, siła tarcia F
T
przeciwdziała ruchowi. Wartość siły tarcia jest
wprost proporcjonalna do siły normalnej F
N
(równanie 1). Wartość siły tarcia nie zaleŜy od
wielkości powierzchni A.
F
T
=
µ
k
F
N
(1)
To równanie pokazuje relację pomiędzy wielkością siły tarcia F
T
, która jest równoległa do dwóch
oddziaływujących powierzchni, a siłą normalną, która działa do nich prostopadle. Wartość
współczynnika tarcia kinetycznego
µ
k
zaleŜy od rodzaju powierzchni (sucha, mokra,
chropowata, wygładzona).
BADANIE SIŁ TARCIA
3
Tarcie statyczne
jest siłą równoległą do dwóch powierzchni, która powstaje, gdy te
powierzchnie pozostają w spoczynku, Przypuśćmy,
Ŝe
mamy obiekt, np. deskę, która spoczywa
na podłodze. JeŜeli
Ŝadna
siła pozioma nie działa na deskę, nie występuje równieŜ siła tarcia. Ale
gdy zadziałamy na deskę siłą poziomą, a ona w dalszym ciągu się nie porusza, to oznacza,
Ŝe
musi występować tam siła powstrzymująca deskę od ruchu. Jest to siła tarcia statycznego,
wywierana na deskę przez podłogę. JeŜeli będziemy pchać z większą siłą bez przesuwania deski,
siła tarcia statycznego będzie rosła. Natomiast, gdy przyłoŜymy wystarczająco duŜą siłę deska
zacznie się poruszać i pojawi się tarcie kinetyczne. W tym momencie zostaje osiągnięta
maksymalna wartość siły tarcia statycznego, która jest podana wzorem:
F
T
=
µ
s
F
N
gdzie: F
N
- siła normalna
µ
s
- współczynnik tarcia statycznego
Gdy siła tarcia statycznego moŜe zmieniać się od 0 do wartości maksymalnej, moŜemy napisać:
(2)
F
fr
≤ µ
S
F
N
go w ruch ze spoczynku (
µ
S
jest większe niŜ
µ
K
)
.
Część doświadczalna:
Pomiar współczynników tarcia statycznego, kinetycznego i przy toczeniu.
(3)
NaleŜy zauwaŜyć,
Ŝe
znacznie łatwiej jest utrzymać cięŜki obiekt w ruchu, niŜ wprawic
Część Ia
Pomiar współczynnika tarcia statycznego i kinetycznego za pomocą równi pochyłej
Do pomiaru współczynnika tarcia stosuje się równię pochyłą. Na równi o kącie
pochylenia
α
znajduje się klocek z badanego materiału. Konstrukcja równi zapewnia moŜliwość
płynnej zmiany kąta. Rysunek przedstawia siły działające na klocek (rys.2).
BADANIE SIŁ TARCIA
4
F
N
Gsinα
α
G
F
s
x
α
Gcosα
y
Rys.2 Pomiar współczynnika tarcia za pomocą równi pochyłej: a) schemat, b) rozkład sił
Obieramy układ współrzędnych x,y przypisując oś x wzdłuŜ powierzchni równi pochyłej, a oś y
w kierunku normalnej do niej. Znajdując składowe sił w kierunku tych osi obliczamy
współczynnik tarcia statycznego:
G
cos
α
-
F
N
= 0
F
S
–
G
sin
α
= 0
F
S
≤ µ
S
F
N
(4)
(5)
(6)
Zwiększając kąt
α
stwierdzamy,
Ŝe
gdy osiągnie on pewną wartość
α
s, klocek zaczyna się
zsuwać w dół. Wtedy:
F
S
=
µ
S
F
N
=G
.
sin
α
S
F
N
=G cos
α
S
µ
S .
G
cos
α
S
=
G
.
sin
α
S
µ
S
=
tg
α
S
(7)
(8)
(9)
(10)
Z chwilą, gdy kąt równi pochyłej osiągnie wartość
α
s klocek zaczyna się zsuwać w dół ruchem
jednostajnym przyspieszonym, poniewaŜ opór tarcia kinetycznego jest mniejszy niŜ opór tarcia
statycznego. Teraz moŜemy ponownie zmniejszyć wartość kąta
α,
do wartości
α
k
, przy której
klocek zsuwa się ruchem jednostajnym. Wówczas, zgodnie z I zasadą dynamiki Newtona, siły
BADANIE SIŁ TARCIA
5
działające na klocek ponownie się zrównowaŜą i znajdujemy analogicznie jak w przypadku tarcia
statycznego współczynnik tarcia kinetycznego:
µ
K
=
tg
α
K
(11)
Dla 3 ró
Ŝ
nych par powierzchni klocka (metal, drewno, guma) i równi wykonujemy seri
ę
pomiarów (Tab.1). Pomiarów nale
Ŝ
y dokonywa
ć
z tego samego punktu pocz
ą
tkowego.
Tabela 1
N
o
Materiał powierzchni Materiał powierzchni
równi
klocka
α
S
α
k
µ
S
µ
k
Przez płynn
ą
zmian
ę
k
ą
ta nachylenia równi wyznaczamy k
ą
t
α
s przy którym klocek zaczyna si
ę
zsuwa
ć
z równi, oraz k
ą
t
α
k, dla którego klocek zsuwa si
ę
z równi ruchem jednostajnym
prostoliniowym. Ka
Ŝ
dy pomiar powtarzamy sze
ś
ciokrotnie.
Część Ib
Pomiar współczynnika tarcia kinetycznego
Pomiaru współczynnika tarcia kinetycznego mo
Ŝ
na równie
Ŝ
dokona
ć
za pomoc
ą
prostego
zestawu (rys.3). Znaj
ą
c mas
ę
klocka m
k
i sił
ę
, która wywołuje jego ruch jednostajny
prostoliniowy (pomiaru siły Fd dokonujemy za pomoc
ą
dynamometru) współczynnik tarcia
µ
k
znajdujemy ze wzoru:
F
d
F
=
d
m
k
g G
µ
k
=
(12)
gdzie: g- przyspieszenie ziemskie

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin