ТЕОРИЯ ВОПРОСА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ

Цель работы: Изучение возникновения сил трения и определение коэффициента трения качения с помощью маятника.

Приборы и принадлежности: маятник качения, линейка, металлические пластинки.

ТЕОРИЯ ВОПРОСА

Всякое тело, движущееся по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил, с течением времени замедляет свое движение и останавливается. Это явление можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует скольжению соприкасающихся тел относительно друг друга. В результате действия сил трения механическая энергия превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел. Трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей, в случае очень гладких поверхностей трение обусловлено силами молекулярного притяжения. Для уменьшения сил трения на поверхности тел наносят смазку, которая заполняет неровности, так что поверхности перестают касаться друг друга. В этом случае скользят относительно друг друга отдельные слои жидкости, т.е. внешнее трение поверхности твердых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Опытным путем установлен следующий закон:

сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давленияN,с которой одно тело действует на другое , где m- коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

Рассмотрим цилиндр, катящийся по горизонтальной поверхности, который из-за наличия сил трения когда-либо остановится (рис . 1).

Р и с. 1

 

При качении цилиндра возникает взаимная деформация тел, несимметричная относительно оси abкатящегося тела

Реакция опоры N поэтому несколько смещена вперед (рис. 2) по направлению движения тела, приложена в точке С и не перпендикулярна горизонтальной поверхности. Силу реакции опоры N можно разложить на две составляющие:

ft - параллельно поверхности и fn - перпендикулярно поверхности.

При качении цилиндра его ось совершает поступательное движение со скоростью , а точки на его поверхности движутся с линейной скоростью V¢ (рис. 2). Поскольку при качении цилиндра скорость V уменьшается из-за наличия сил трения, то на него должна действовать сила ft , направленная противоположно скорости движения . Эта сила направлена под острым углом a к скорости V' и должна бы увеличить ее (V'). Поэтому должна существовать сила fn перпендикулярная к , которая не изменяя V, уменьшает V', т.к. она составляет с V'тупой угол b.

Сила ft и называется силой трения качения - Fтр.к .

Р и с. 2

Опыт показывает, что эта сила Fтр.к по величине прямо пропорциональная весу и обратно пропорциональна радиусу катящегося тела. Коэффициентом пропорциональности является величина , которая называется коэффициентом трения качения.

. (1)

Таким образом, из (1) сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела. Величина k является размерной величиной, имеющей размерность длины и равной расстоянию от точки приложения силы реакции опоры до вертикального диаметра катящегося тела: | k | = CD (рис. 2). Отметим, что коэффициент трения скольжения есть величина безразмерная . Обычно для двух соприкасающихся тел , поэтому сила трения качения по величине много меньше силы трения скольжения.