Определение коэффициента трения качения

Цель работы: определить коэффициент трения качения цилиндра по плоскости для различных пар металлических поверхностей и определить момент инерции сложной системы методом колебаний

Теоретическое описание

Рассмотрим цилиндр, покоящийся на горизонтальной плоскости (рис.1,а). На него действуют две взаимно уравновешивающие силы: сила тяжести , где m – масса цилиндра, и нормальная реакция плоскости . Если цилиндр (колесо) катится по плоскости, то появляется трение качения. Можно выделить следующие причины его возникновения. И цилиндр и плоскость при качении деформируются. При этом происходят потери механической энергии, связанные: а) с работой, затрачиваемой на образование валика А деформированной плоскости перед катящимся цилиндром (рис.1,б); б) со сжатием плоскости перед катящимся; в) с преодолением мостиков сцепления – тех областей на поверхности соприкосновения цилиндра и плоскости, где из-за неровности поверхностей существуют настолько большие давления, что между молекулами цилиндра и плоскости возникают силы межмолекулярного притяжения и они в этих местах "сцепляются" друг с другом.

Эти три причины приводят к тому, что точка приложения нормальной реакции смещается на расстояние d, в результате возникает момент силы реакции, направленный по оси вращения, которая проходит перпендикулярно плоскости рисунка 1, и препятствующий качению цилиндра. Модуль этого момента

(1)

Поэтому M _k называют моментом сопротивления качению, а величину d, численно равную смещению точки приложения реакции плоскости – коэффициентом трения качения. Коэффициент трения качения измеряется в единицах длины и, как показывает опыт d << R (R – радиус цилиндра).

В работе используются два жестко скрепленных цилиндра А и В с несовпадающими параллельными осями. Они могут вращаться на горизонтально расположенных образцах 1 различных металлов (рис.2) вокруг оси цилиндра А радиусом R. Стрелка Д, прикрепленная к цилиндру А, фиксирует на шкале Н линейное смещение колеблющейся системы от положения равновесия. Ш – штырьки для удержания образцов.

Так как оси цилиндров А и В не совпадают, то центр масс системы С находится на линии АВ на расстоянии от оси цилиндра А (рис.3). Момент силы тяжести стремится вернуть систему в положение равновесия и при малых углах поворота j () пропорционален смещению из положения равновесия j. Это является условием гармонических колебаний, которые будет совершать система относительно положения равновесия j = 0 (стрелка Д отклоняется то в одну сторону, то в другую сторону от положения О на шкале Н).

Из-за действия диссипативных сил трения колебания системы будут затухать. Определим уравнение этих колебаний. Запишем уравнение динамики вращательного движения системы относительно мгновенной оси вращения, проходящей через точку S касания цилиндра А с плоскостью перпендикулярно плоскости рисунка 3. Кроме момента силы тяжести действует момент сопротивления качению на цилиндр (1). Величина коэффициента трения качения пропорциональна скорости V катящегося без проскальзывания цилиндра А. Если учесть связь линейной и угловой скорости цилиндра: , то

, (2)

и из формулы (1) .

Тогда уравнение динамики имеет вид

(3)

где J – момент инерции системы относительно мгновенной оси вращения S; знаки в уравнении (3) показывают, что моменты сил препятствуют увеличению угла отклонения j.

Рис. 3

При малых углах j () это уравнение аналогично динамическому уравнению затухающих колебаний:

, (4)

где , (5)

. (6)

Поэтому угол отклонения стрелки Д от положения равновесия изменяется по закону

, (7)

где – (8)

частота затухающих колебаний; – угол отклонения стрелки в начальный момент времени. Колеблющаяся таким образом система является разновидностью физического маятника.

Совершив n полных колебаний за время t = nT (T – период колебаний), стрелка отклонится на угол φ _n (φ _n < φ₀). Так как линейное смещение a стрелки Д вдоль шкалы Н пропорционально углу поворота стрелки j, то из (7) следует, что откуда получим .

Величину (9)

называют логарифмическим декрементом затухания,

следовательно (10)

Подставляя выражения (6) и (10) в формулу (8) и учитывая, что , находим формулу для определения момента инерции J системы относительно мгновенной оси вращения S:

(11)

Из формул (5), (10) и (11) определим выражение для k:

(12)

В данной работе можно лишь приближенно оценить коэффициент трения качения. Для этого воспользуемся формулами (2) и (7). Найдем производную :

Максимальная скорость движения центра цилиндра A достигается при нулевом угле отклонения j. Это условие выполняется, когда (). Для упрощения вычислений можно положить (амплитуда слабо уменьшается за время первого колебания).

Тогда

Таким образом, максимальную скорость качения цилиндра, а также оценку для коэффициента трения качения можно описать следующей формулой

(13)

Под цилиндр А подкладывают плоские пластинки из различного материала, что позволяет определить коэффициенты трения цилиндра для различных пар (цилиндр-пластинка) и сравнить полученные результаты.