Трение

Эффекты трения легко наблюдаются в повседневной деятельности, и все же физические механизмы, которые управляют трением, могут быть сложными.

Трение — это сила, противодействующая движению объекта, когда он соприкасается с поверхностью. На микроскопическом уровне это обусловлено шероховатостью поверхности материалов при контакте и межмолекулярных взаимодействиях. Но преодолеть эту силу можно с помощью приложения внешней силы, равной по величине.

Цель этого видео — продемонстрировать, как измерить трение в лабораторных условиях для объектов, скользящих горизонтально, а также вниз по наклонной плоскости.

Прежде чем погрузиться в протокол, давайте вернемся к концепциям, лежащим в основе силы трения. Во-первых, нужно знать, что существует два вида трения – кинетическое трение и статическое трение.

Чтобы понять кинетическое трение, представьте, что вы находитесь в резиновой трубке, скользящей по бесконечному горизонтальному полю льда.

Хотя лед можно считать гладкой поверхностью, если мы посмотрим на микроскопический уровень, между двумя поверхностями существуют сложные взаимодействия, которые вызывают трение. Эти взаимодействия зависят от шероховатости поверхности и притягивающих межмолекулярных сил.

Величина этой кинетической силы трения равна произведению коэффициента кинетического трения, или ? K, которая зависит от комбинации материала и поверхности, и нормальной силы, или Fnorm, которая толкает объект и поверхность вместе.

Fnorm действует как поддержка объекта и перпендикулярен интерфейсу. В этом случае, поскольку трубка находится на ровной поверхности, Fnorm равна и противоположна силе тяжести, которая составляет мг. Поэтому, если вы знаете общую массу вас с трубкой, а также коэффициент кинетического трения для резины и льда, мы можем легко рассчитать силу трения.

Кинетическое трение может преобразовать часть кинетической энергии трубки в тепло, а также уменьшить импульс трубки, в конечном итоге приводя ее в состояние покоя.

Вот когда в игру вступает статическое трение - другой тип трения. Эта сила трения противодействует движению статичного объекта и может быть рассчитана путем приложения внешней силы. Приложенная сила, которая в конечном итоге перемещает объект, показывает максимальную статическую силу.

Формула для максимальной статической силы такая же, как и для кинетического трения, но коэффициент статического трения ? S обычно больше ? K для того же сочетания материала и поверхности.

Еще один способ преодоления максимальной статической силы – увеличение наклона поверхности. Под некоторым углом, называемым углом покоя или ? R, сила, тянущая вниз по склону, сравняется со статической силой трения, и труба начнет скользить. Эта тяговая сила, которая является синусом угла откоса, умноженного на силу тяжести, равна максимальной статической силе, которая равна ? S умножается на произведение m, g и косинуса от ?R. Переставляя это уравнение, мы можем рассчитать коэффициент статического трения.

Теперь, когда мы изучили принципы трения, давайте посмотрим, как эти концепции могут быть применены для экспериментального расчета сил и коэффициентов как кинетического, так и статического трения. Этот эксперимент состоит из шкалы масс, шкалы силы, двух металлических кастрюль с разными коэффициентами трения, обозначенных как блоки 1 и 2, регулируемой плоскости наклона, двух гирь по 1000 г и транспортира.

Добавьте к каждому блоку груз весом 1000 г и с помощью весов измерьте массу загруженных блоков.

После подключения шкалы силы к блоку 1 потяните шкалу горизонтально и обратите внимание на показания силы непосредственно перед тем, как блок начнет скользить. Запишите эту максимальную статическую силу трения и повторите это измерение пять раз, чтобы получить несколько наборов данных. Проделайте ту же процедуру с помощью блока 2 и запишите эти значения.

Затем, когда шкала силы подключена к блоку 1, потяните шкалу с постоянной скоростью и обратите внимание на силу кинетического трения на манометре. Повторите это измерение пять раз, чтобы получить несколько наборов данных. Опять же, проделываем ту же процедуру с помощью блока 2 и записываем эти значения.

Теперь поместите блок 1 поверх блока 2 и потяните весы с постоянной скоростью, чтобы определить силу кинетического трения. Повторите это измерение пять раз и рассчитайте среднее значение. Затем проделайте ту же процедуру с блоком 2 поверх блока 1.

Для следующего эксперимента поверните блок 1 так, чтобы меньшая площадь поверхности была обращена к столу, и прикрепите его к шкале силы. Теперь измерьте статическую силу трения, как и раньше, отметив силу перед тем, как блок начнет скользить. Повторите это измерение пять раз, чтобы получить несколько наборов данных.

Для последнего эксперимента поместите блок 1 на регулируемую наклонную плоскость так, чтобы плоскость изначально находилась под углом ноль градусов. Медленно поднимайте угол плоскости и с помощью транспортира определите угол, под которым блок начинает скользить. Опять же, повторите это измерение пять раз, чтобы получить несколько наборов данных, и выполните ту же процедуру, используя блок 2.

Для экспериментов, проводимых на горизонтальной поверхности, нормальная сила, действующая на блоки, равна весу, то есть массе, умноженной на g. Поскольку массы блоков 1 и 2 для экспериментов со статическим и кинетическим трением одинаковы, Fnorm одинакова во всех четырех случаях. Используя среднее значение измеренной силы для различных экспериментов и формулы для обоих трений, можно рассчитать коэффициенты трения.

Как и ожидалось, коэффициент статического трения больше коэффициента кинетического трения. Кроме того, соответствующие коэффициенты для двух блоков различны, поскольку каждый из них обладает разной шероховатостью поверхности.

В эксперименте с многоуровневыми блоками мы знаем, что масса удваивается в обоих случаях, поэтому мы можем рассчитать новую Fnorm. Мы уже знаем ?k для блока, соприкасающегося с поверхностью. Используя это, мы можем рассчитать кинетическую силу трения, которая хорошо согласуется с измеренной силой во время эксперимента.

Сила трения, измеренная после изменения ориентации блока 1, показала, что площадь контактной поверхности не влияет на силу трения. Расхождения между расчетными и измеренными силами согласуются с оценочными погрешностями, связанными со считыванием шкалы сил при сохранении постоянной скорости.

Для экспериментов с наклонной плоскостью измерялся угол откоса. Используя этот угол, можно определить коэффициенты статического трения, и здесь эти значения выгодно отличаются от коэффициентов, измеренных при измерениях горизонтального скольжения.

Изучение трения важно в нескольких приложениях, так как оно может быть либо очень полезным, либо явлением, которое необходимо свести к минимуму.

Для производителей автомобильных шин крайне важно изучать трение, так как оно позволяет шинам набирать сцепление с дорогой. Поэтому во время дождя вода и остатки масел на дороге значительно снижают коэффициент трения, что делает скольжение и аварии гораздо более вероятными.

В то время как инженеры хотят увеличить трение для автомобильных шин, для двигателей и машин в целом они хотят уменьшить его, так как трение между металлами может выделять тепло и повреждать их конструкции. Поэтому инженеры постоянно изучают смазочные материалы, которые могут помочь в снижении коэффициента трения между двумя поверхностями.

Вы только что посмотрели введение JoVE в Friction. Теперь вы должны понять, какие факторы влияют на величину трения, различные типы трения и лежащие в его основе физические механизмы. Как всегда, спасибо за просмотр!