摩擦

Physics I

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Overview

资料来源:尼古拉斯 · 蒂蒙斯Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

本试验主要目的是检查摩擦 (即,静态和动态) 两种类型的物理本质。该过程将包括测量摩擦系数为对象横向滑跌斜面。

摩擦尚不完全清楚,但它通过实验确定为对象的正常力成正比。如果显微镜放大后有接触的两个表面上的它揭示出它们的表面是非常粗糙规模较小。这可防止表面很容易滑过去的另一个。结合材料中原子间的静电力的粗糙表面的影响也许可以解释在摩擦力的作用。

有两种类型的摩擦。静摩擦力是当前对象不移动和一些部队是必需在运动中得到该对象时。动力学摩擦是存在的当一个对象已移动,但慢下来的滑动面之间的摩擦。

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JoVE Science Education Database. 物理学精要 I. 摩擦. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

Figure 1
图 1。

图 1显示了四种力量作用于一个对象,坐在一个水平面上。Equation 1对应于某些应用的水平力。Equation 2是在对象上,由正常力匹配同样但方向相反,重力的Equation 3。法向力是作用于反对重力对象表面的结果。法向力解释了为什么一本书不只是属于通过它休息后的表。最后,反对所施加的力是摩擦力, Equation 4 。摩擦力与法向力成正比:

Equation 5(方程 1)

Equation 11是摩擦系数。

磨擦系数必须实验测量,是取决于接触这两种材料的属性。有两种类型的磨擦系数: 动力学摩擦, Equation 11 ,当对象已经在运动与静摩擦, Equation 10 ,当物体静止不动,需要一定量的力去移动。对于对象滑动沿着一条小路,法向力等于重量Equation 6的对象。因此,摩擦力取决于只有系数和物体的质量。

如果对象是一个倾斜的平面,然后正常力Equation 3是垂直于斜面,不是平等和相反的重量Equation 6图 2所示。

Figure 2
图 2。

在这种情况下,只有一个组件的Equation 6是等效与法向力,根据角 θ:

Equation 7.(公式 2)

休止角的Equation 8定义为点,在对象上的重力克服静摩擦力和对象开始沿斜面滑。角度很好的近似是休息的:

Equation 9.(方程 3)

在这个实验中,两个金属锅将用于表示不同摩擦系数的材料。A 座会有砂纸的底部,这将导致更高的摩擦系数,而 B 座将有光滑的金属底。

Procedure

1.测量摩擦系数。

  1. 向每个块中添加 1,000 g 重量和使用规模测量块 A 和 B,其中包括附加的质量的群众。
  2. 连接力规模水平阻止 A.拉规模并注意到阅读,只是在块开始幻灯片之前。只是它开始幻灯片之前,静摩擦力的最大量抵抗运动。使用力读来计算Equation 10A.块做了五次和记录的平均值。
  3. 重复步骤 1.2,块 B.
  4. 隔着桌子以恒定的速度拉块 A。如果速度是恒定的那么在规模上阅读的力量应该等于,摩擦力的大小。计算Equation 11A.块做了五次和记录的平均值。
  5. 重复步骤 1.4 块 B.

2.对摩擦力的重量的影响。

  1. 地方块 A 在 B 座和重复步骤 1.4 的 5 倍,平均的值确定。计算的摩擦力增加减少的因素。
  2. 地方在 A 座 B 座和重复步骤 1.4 五次,确定的平均价值。计算的摩擦力增加减少的因素。

3.表面积摩擦力的影响。

  1. 转到包含只锅沿侧 B 座。重量将需要在顶部的面朝上一侧的。测量摩擦力,并测量步骤 1.2 中的值进行比较。计算的摩擦力增加减少的因素。

4.休止角。

  1. 将块 A 放在可调倾斜平面,开始在角度为 0 °。直到块开始滑动,慢慢地抬起角度。使用量角器,休止角的测量和使用方程 3块开始下滑之前计算静摩擦系数。做了五次和记录的平均值。
  2. 重复步骤 4.2,块 B.

摩擦的影响很容易观察到在日常活动和尚未治理摩擦的物理机制可以是复杂。

摩擦是物体的反对运动,当它与表面接触时的力量。在微观层次上,它是表面粗糙度引起的材料在接触和分子间相互作用。但人可以克服这支部队由是大小相等的外部力量的应用。

这个视频的目标是演示如何衡量在实验室设置对象横向滑跌斜面的摩擦。

到议定书 》 之前,让我们重温背后的摩擦力的概念。首先,你需要知道有两种类型的摩擦-动力学摩擦、 静摩擦。

要理解动力学摩擦,想象你是在橡胶管穿过冰无限水平场滑动。

虽然冰可能被视为一个光滑的表面,如果我们看看在微观的层次,有引起摩擦的两个表面之间复杂的相互作用。这些交互作用取决于表面粗糙度和有吸引力的分子间力。

此动力学的摩擦力的大小等于系数的动力学摩擦,或 μK,取决于材料表面相结合和正常的力或推表面与对象一起的 Fnorm 产品。

Fnorm 行为支持的对象,是垂直于界面。在这种情况下,自管在水平的地面上,Fnorm 是平等和重力,是的对面。因此,如果你知道你与管,加起来的重量和动力学摩擦系数橡胶和冰,我们可以很容易计算摩擦力。

动力学摩擦可以将一些管的动能转换成热能,也会减少管最终使它休息的势头。

现在,这是摩擦的当静摩擦-其他类型-进场时。这个摩擦力反对运动的一个静态对象,并可以通过施加外力计算。所施加的力,最终移动对象,揭示了最大的静力.

最大的静力计算公式是一个动力学摩擦,相同但静摩擦系数 μ S 的系数是通常大于 μK 为材料表面组合并不相同。

另一种方式来克服的最大静态力是通过增加表面的边坡。在一定的倾角,称为角的安宁或者 θR,顺着斜坡的拉力将等于静摩擦力和管将开始滑落。这是的倍重力的休止角的正弦值的拉力等于最大的静力,是微秒时间产品的mg和 θR 的余弦值。通过重新排列这个方程,我们可以计算静摩擦系数。

既然我们已经学会了摩擦的原则,让我们看看如何应用这些概念来实验计算的部队和动力学和静态摩擦力系数。本实验包括大规模、 部队规模、 两个金属锅与称为块 1 和 2 的不同摩擦系数、 可调倾斜平面,两个 1000 克的重量和量角器。

向每个块中添加 1000 克重量和使用规模来衡量加载块的群众。

连接后部队规模,1 座,拉规模水平,并注意力阅读,只是在块开始幻灯片之前。记录这个最大的静摩擦力,并重复这种测量五次获得多个数据集。执行相同的程序,使用 2 块和记录这些值。

下一步,与连接 1 座,拉动规模以恒定的速度,注意动摩擦的力量规模力量在仪表上。重复此测量五次获得多个数据集。再次,执行相同的程序,使用 2 块和记录这些值。

现在,地方上块 2 块 1,在恒定的速度来确定动力学摩擦力拉规模。重复五次这种测量和计算的平均值。然后执行相同的程序与上块 1 块 2。

接下来的实验中,块 1 这样较小的表面区域面临表转身将它附加到部队规模。现在测量静摩擦力作为前的之前块开始滑动,通过力的注意。重复此测量五次获得多个数据集。

最后一个实验,放可调倾斜平面与最初在零度角块 1。慢慢地提高飞机的视角,使用量角器来确定的角块的开始处的滑动。再次,重复此测量五次获得多个数据集和执行相同的程序,使用 2 块。

对于水平表面上进行的实验,块的正常受力等于重量,即质量乘以g。因为块 1 和 2 的两个静态和动态摩擦实验的质量是相同的 Fnorm 是四个情况都一样。使用测量的力值的平均值的各种实验,和两个摩擦的公式,可以计算摩擦系数。

不出所料,静摩擦系数大于动摩擦的系数。此外,两个街区的相应系数是不同的因为他们每个人都拥有不同的表面粗糙度。

在堆叠的模块实验中,我们知道,所以我们可以计算新的 Fnorm,这两种情况下的身上就增加一倍质量。我们已经知道 μk 与表面接触块。使用此我们可以计算动力学摩擦力,其中吻合被测力试验过程中。

摩擦力测量后在改变方向块 1 表明接触的表面面积并不影响摩擦力。计算和实测部队之间差异均符合相关的同时保持一个恒定的速度阅读力规模的估计错误。

斜面实验,测定了休止角。使用这个角度来看,可以确定的静摩擦力系数,和在这里值媲美系数测量从水平滑动测量。

研究摩擦是重要的几个应用程序,它可以是非常有益或一种现象,必须尽量减少。

它是为汽车轮胎生产企业,要研究摩擦,非常重要的因为它允许轮胎获得道路上的牵引。因此,当下雨时,水和残余油的道路上大大减少摩擦系数,使滑动和事故更有可能。

虽然工程师想要增加用于汽车轮胎的摩擦,为发动机和机械一般他们想减少它,如金属间的摩擦可以产生热量和损害他们的结构。因此,工程师们不断研究可能有助于降低两个表面之间摩擦系数的润滑剂。

你刚看了摩擦的朱庇特的简介。现在,您应该了解因素贡献大小的摩擦、 不同类型的摩擦和支配它的物理机制。一如既往,感谢您收看 !

Results

表 1。磨擦系数。

Equation 10 Equation 11
A 0.68 0.60
B 0.52 0.47

表 2。对摩擦力重量和面积的影响。

测量 Equation 4
(N)
被放大或缩小的因素
在 A B 座 16 Equation 4从步 1.4 = 2.3
在 B 座 14 Equation 4从步 1.5 = 2.5
国土面积很小 5 Equation 4从步 1.4 = 0.9

表 3。休止角。

休止角Equation 12
(°)
Equation 10
A 30 0.58
B 24 0.45

从试验中得出的结果匹配方程 12所作的预测。在步骤 1 中,静摩擦较多的动力学摩擦。这始终是案例,更多的力量正如需克服摩擦,当对象已经不在运动。在步骤 2 中,肯定了摩擦力是两个块的重量和动摩擦接触表块的系数成正比。步骤 3 的结果证实了表面的面积并不影响摩擦力。在步骤 4 中,可以通过方程 3近似休止角。与实验室相关的错误来自同时保持为滑动块以恒定的速度阅读力规模的难度。通过采取几种测量和计算平均数,可以减少这种影响。

Applications and Summary

摩擦在我们日常的生活中无处不在。事实上,它将不可能没有它走。如果有人试图在无摩擦的表面上行走,他无处可去。只有他的脚的底部与地面之间的摩擦是他肌肉推撞击地面,驱使他前进。

在行业几乎每个方面,工程技术人员正以减少摩擦。当两个表面接触时,总有摩擦。这可以采取热,如当有人迅速揉她的手在一起时感到热的形式。在工业应用中,这个热量会损坏机器。摩擦力也反对运动的物体,可以慢做机械操作。因此,像润滑剂物质用来减少两个表面之间的摩擦系数。

表 4。示例的摩擦系数。

材料 Equation 11
在木头上的木头 0.2
上钢黄铜 0.44
橡胶混凝土 0.8
润滑的球轴承 < 0.01

在这个实验中,为两个不同的滑动块,测定的静态和动态摩擦系数。质量力摩擦的影响,随着表面面积的影响。最后,测量了休止角的一块斜面上。

1.测量摩擦系数。

  1. 向每个块中添加 1,000 g 重量和使用规模测量块 A 和 B,其中包括附加的质量的群众。
  2. 连接力规模水平阻止 A.拉规模并注意到阅读,只是在块开始幻灯片之前。只是它开始幻灯片之前,静摩擦力的最大量抵抗运动。使用力读来计算Equation 10A.块做了五次和记录的平均值。
  3. 重复步骤 1.2,块 B.
  4. 隔着桌子以恒定的速度拉块 A。如果速度是恒定的那么在规模上阅读的力量应该等于,摩擦力的大小。计算Equation 11A.块做了五次和记录的平均值。
  5. 重复步骤 1.4 块 B.

2.对摩擦力的重量的影响。

  1. 地方块 A 在 B 座和重复步骤 1.4 的 5 倍,平均的值确定。计算的摩擦力增加减少的因素。
  2. 地方在 A 座 B 座和重复步骤 1.4 五次,确定的平均价值。计算的摩擦力增加减少的因素。

3.表面积摩擦力的影响。

  1. 转到包含只锅沿侧 B 座。重量将需要在顶部的面朝上一侧的。测量摩擦力,并测量步骤 1.2 中的值进行比较。计算的摩擦力增加减少的因素。

4.休止角。

  1. 将块 A 放在可调倾斜平面,开始在角度为 0 °。直到块开始滑动,慢慢地抬起角度。使用量角器,休止角的测量和使用方程 3块开始下滑之前计算静摩擦系数。做了五次和记录的平均值。
  2. 重复步骤 4.2,块 B.

摩擦的影响很容易观察到在日常活动和尚未治理摩擦的物理机制可以是复杂。

摩擦是物体的反对运动,当它与表面接触时的力量。在微观层次上,它是表面粗糙度引起的材料在接触和分子间相互作用。但人可以克服这支部队由是大小相等的外部力量的应用。

这个视频的目标是演示如何衡量在实验室设置对象横向滑跌斜面的摩擦。

到议定书 》 之前,让我们重温背后的摩擦力的概念。首先,你需要知道有两种类型的摩擦-动力学摩擦、 静摩擦。

要理解动力学摩擦,想象你是在橡胶管穿过冰无限水平场滑动。

虽然冰可能被视为一个光滑的表面,如果我们看看在微观的层次,有引起摩擦的两个表面之间复杂的相互作用。这些交互作用取决于表面粗糙度和有吸引力的分子间力。

此动力学的摩擦力的大小等于系数的动力学摩擦,或 μK,取决于材料表面相结合和正常的力或推表面与对象一起的 Fnorm 产品。

Fnorm 行为支持的对象,是垂直于界面。在这种情况下,自管在水平的地面上,Fnorm 是平等和重力,是的对面。因此,如果你知道你与管,加起来的重量和动力学摩擦系数橡胶和冰,我们可以很容易计算摩擦力。

动力学摩擦可以将一些管的动能转换成热能,也会减少管最终使它休息的势头。

现在,这是摩擦的当静摩擦-其他类型-进场时。这个摩擦力反对运动的一个静态对象,并可以通过施加外力计算。所施加的力,最终移动对象,揭示了最大的静力.

最大的静力计算公式是一个动力学摩擦,相同但静摩擦系数 μ S 的系数是通常大于 μK 为材料表面组合并不相同。

另一种方式来克服的最大静态力是通过增加表面的边坡。在一定的倾角,称为角的安宁或者 θR,顺着斜坡的拉力将等于静摩擦力和管将开始滑落。这是的倍重力的休止角的正弦值的拉力等于最大的静力,是微秒时间产品的mg和 θR 的余弦值。通过重新排列这个方程,我们可以计算静摩擦系数。

既然我们已经学会了摩擦的原则,让我们看看如何应用这些概念来实验计算的部队和动力学和静态摩擦力系数。本实验包括大规模、 部队规模、 两个金属锅与称为块 1 和 2 的不同摩擦系数、 可调倾斜平面,两个 1000 克的重量和量角器。

向每个块中添加 1000 克重量和使用规模来衡量加载块的群众。

连接后部队规模,1 座,拉规模水平,并注意力阅读,只是在块开始幻灯片之前。记录这个最大的静摩擦力,并重复这种测量五次获得多个数据集。执行相同的程序,使用 2 块和记录这些值。

下一步,与连接 1 座,拉动规模以恒定的速度,注意动摩擦的力量规模力量在仪表上。重复此测量五次获得多个数据集。再次,执行相同的程序,使用 2 块和记录这些值。

现在,地方上块 2 块 1,在恒定的速度来确定动力学摩擦力拉规模。重复五次这种测量和计算的平均值。然后执行相同的程序与上块 1 块 2。

接下来的实验中,块 1 这样较小的表面区域面临表转身将它附加到部队规模。现在测量静摩擦力作为前的之前块开始滑动,通过力的注意。重复此测量五次获得多个数据集。

最后一个实验,放可调倾斜平面与最初在零度角块 1。慢慢地提高飞机的视角,使用量角器来确定的角块的开始处的滑动。再次,重复此测量五次获得多个数据集和执行相同的程序,使用 2 块。

对于水平表面上进行的实验,块的正常受力等于重量,即质量乘以g。因为块 1 和 2 的两个静态和动态摩擦实验的质量是相同的 Fnorm 是四个情况都一样。使用测量的力值的平均值的各种实验,和两个摩擦的公式,可以计算摩擦系数。

不出所料,静摩擦系数大于动摩擦的系数。此外,两个街区的相应系数是不同的因为他们每个人都拥有不同的表面粗糙度。

在堆叠的模块实验中,我们知道,所以我们可以计算新的 Fnorm,这两种情况下的身上就增加一倍质量。我们已经知道 μk 与表面接触块。使用此我们可以计算动力学摩擦力,其中吻合被测力试验过程中。

摩擦力测量后在改变方向块 1 表明接触的表面面积并不影响摩擦力。计算和实测部队之间差异均符合相关的同时保持一个恒定的速度阅读力规模的估计错误。

斜面实验,测定了休止角。使用这个角度来看,可以确定的静摩擦力系数,和在这里值媲美系数测量从水平滑动测量。

研究摩擦是重要的几个应用程序,它可以是非常有益或一种现象,必须尽量减少。

它是为汽车轮胎生产企业,要研究摩擦,非常重要的因为它允许轮胎获得道路上的牵引。因此,当下雨时,水和残余油的道路上大大减少摩擦系数,使滑动和事故更有可能。

虽然工程师想要增加用于汽车轮胎的摩擦,为发动机和机械一般他们想减少它,如金属间的摩擦可以产生热量和损害他们的结构。因此,工程师们不断研究可能有助于降低两个表面之间摩擦系数的润滑剂。

你刚看了摩擦的朱庇特的简介。现在,您应该了解因素贡献大小的摩擦、 不同类型的摩擦和支配它的物理机制。一如既往,感谢您收看 !

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