Экспериментальное выявление зависимости
коэффициента трения скольжения от скорости движения тела

Хомяк Дмитрий, Орлова Любовь, Карачи А.Ю.
городской лицей "Единство"

1. Введение. Читая литературу по физике, мы обнаружили, что про коэффициент трения скольжения в разных книгах написано по разному: где-то о возможной зависимости коэффициента трения скольжения от скорости движения тела не написано вообще, где-то написано, что коэффициент трения скольжения не зависит от скорости движения тела, а где-то написано, что такая зависимость есть. В "Курсе теоретической механики" В.В. Добронравова и Н.Н. Никитина на стр. 65 читаем: "... коэффициент трения скольжения зависит от относительной скорости скольжения. Для большинства материалов он уменьшается с увеличением относительной скорости скольжения, но для некоторых материалов, наоборот, увеличивается. В приближенных технических расчетах обычно считают, что коэффициент трения скольжения не зависит от относительной скорости скольжения.". А в книге И.М. Воронкова "Курс теоретической механики читаем: "Коэффициент трения в движении зависит от относительной скорости трущихся тел. В большинстве случаев с увеличением скорости этот коэффициент убывает, стремясь к некоторому постоянному значению. Однако наблюдаются и обратное явление: при трении, например, кожи о метал (в ремённых передачах) рядом исследователей установлено, что коэффициент трения возрастает с увеличением скорости. В некоторых случаях значение коэффициента трения в движении проходит через максимум, т.е. сначала при возрастании относительной скорости от нуля коэффициент трения возрастает, при некотором значении скорости он имеет наибольшее значение и за тем, при дальнейшем увеличении скорости, начинает убывать". В учебнике "Физика - 9" Г.Я. Мякишева на стр. 245 дан график зависимости силы трения от скорости, но не даны характерные значения ни сил трения, ни скоростей. Кроме того, при нулевой скорости сила трения скольжения не существует! Однако, и здесь не описан конкретный эксперимент, в котором обнаружена зависимость коэффициента трения или сил трения скольжения от скорости тела. Мы решили сами исследовать этот вопрос. Сначала вспомним, что такое коэффициент трения: он численно равен отношению силы трения скольжения к силе нормального давления ; коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей, то есть от величины и характера шероховатостей, влажности, температуры и возможно от скорости; коэффициент трения скольжения в зависимости от различных условий устанавливается экспериментально. 2. Методы и содержание работы. Для эксперимента мы воспользовались установкой для исследования зависимости мощности на валу электродвигателя от нагрузки.    1. Электродвигатель смонтирован на панели.    2. Электродвигатель.    3. Металлическая стойка с продольной прорезью.    4. Планка с укрепленными на ней динамометрами.    5. Держатель со счетчиком числа оборотов.    6. Пусковой реостат (в нашей работе не использовался).    7. Деревянный шкив.    8. Ленточный тормоз.    9. Крючки динамометров. С помощью лабораторного автотрансформатора изменяли напряжение, подаваемое на электродвигатель, при этом изменялась угловая скорость вращения вала двигателя, а следовательно и линейная скорость крайних точек шкива. Для расчета этой скорости мы засекали время (t), за которое шкив совершал N оборотов, измеряли диаметр шкива и рассчитывали скорость по формуле: . Силу трения рассчитывали по формуле Fтр = - , где и показания динамометров при работающем двигателе.Силу нормального давления рассчитывали по формуле Fд = + , где и показания динамометров при неработающем двигателе. По найденным Fтр и Fд рассчитывался коэффициент трения скольжения . Эксперимент состоял из серии опытов: при различных силах нормального давления, рассчитывали коэффициент трения скольжения при различных скоростях вращения вала двигателя. Данные заносились в таблицы с использованием следующих обозначений: диаметр шкива D=6,4x10-2м; N- количество оборотов; t -(с) время, за которое шкив делает N оборотов; V- (м/с) линейная скорость крайних точек шкива; Fтр- (Н) сила трения; Fд- (Н) сила нормального давления; , , , - (Н) показания динамометров; k - коэффициент трения. 3. Результаты. Серия 1 Fтр t V k N Fд 1,5 3,5 2 6,32 6,35 0,4 200 5 1,5 3,5 2 4,45 9,03 0,4 200 5 1,45 3,6 2,15 18,3 11,05 0,43 1000 5 1,48 3,52 2,04 3,47 11,58 0,408 200 5 1,4 3,6 2,2 3,15 12,75 0,44 200 5 1,3 3,7 2,4 13,53 14,85 0,48 1000 5 Серия 2 U Fтр t N V Vcp k 150 1,2 / 1,2 2,8 / 2,8 1,6 / 1,6 9,8 / 9,8 200 / 200 4,3 4,3 0,4 175 1,15 / 1,15 2,85 / 2,85 1,7 / 1,7 6,21 / 5,21 200 / 200 9,3 / 9,9 7,1 0,45 162,5 1,1 / 1,1 2,9 / 2,9 1,8 / 1,8 4,32 / 4,05 200 / 200 6,47 / 7,7 9,6 0,42 180 1,1 / 1,1 2,85 / 2,85 1,75 / 1,75 10,45 / 10,45 800 / 800 15,4 / 9,6 12,5 0,43 187,5 1,1 / 1,1 2,9 / 2,9 1,8 / 1,8 6,9 / 6,9 400 / 400 11,6 / 12,1 11,85 0,45 200 1,1 / 1,1 2,9 / 2,9 1,8 / 1,8 5,9 / 6,05 400 / 400 13,6 / 13,38 13,5 0,44 225 1,05 / 1,05 2,85 / 2,85 1,8 / 1,8 6,5 / 5,9 600 / 600 18,5 / 20,4 19,45 0,45 Серия 3 Fтр t V k N Fд 0,85 2,1 1,25 28 1,4 0,42 200 3 0,85 2,1 1,25 19 2,1 0,42 200 3 0,85 2,1 1,25 11 3,65 0,42 200 3 0,85 2,1 1,25 5 8 0,42 200 3 0,85 2,1 1,25 14,15 14,2 0,42 1000 3 0,8 2,15 1,35 14,45 13,9 0,45 1000 3 0,75 2,2 1,45 11,37 17,67 0,48 1000 3 0,75 2,2 1,45 10,12 19,8 0,48 1000 3 Серия 4 Fтр t k V N Fд 0,6 1,4 0,8 17 0,4 2,36 200 2 0,6 1,4 0,8 4,3 0,4 9,3 200 2 0,6 1,45 0,85 2,75 0,44 14,5 200 2 0,6 1,48 0,88 14,2 0,44 14,6 1000 2 0,6 1,5 0,9 11,3 0,45 17,8 1000 2 0,55 1,45 0,9 9,8 0,45 20,5 1000 2 0,55 1,5 0,95 8,95 0,48 22,4 1000 2 0,55 1,55 1 7 0,5 25,1 1000 2 0,55 1,5 0,95 7,6 0,48 26,4 1000 2 Для каждой серии опытов мы строили графики зависимости коэффициента трения скольжения от скорости движения крайних точек шкива. 4. Выводы. Из графиков видно, что коэффициент трения скольжения крайних точек деревянного шкива зависит от скорости их движения относительно хлопчатобумажного ленточного тормоза. С увеличением скорости проявляется тенденция увеличения коэффициента трения скольжения, аналогично ведет себя и кожаный ремень при скольжении по металлу. Литература: Г. Я. Мякишев "Физика-9", Москва, Издательский дом "Дрофа", 1996. В. В. Добронравов, Н. Н. Никитин "Курс теоретической механики", Москва, "Высшая школа", 1983. И. М. Воронков "Курс теоретической механики".

Регистрация: на PiRS-RIKT 23.03.2002 г., на SpyLOG 30.03.2002 г.