Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Описание лабораторной установки

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СУХОМ ТРЕНИИ

Цель работы – ознакомится с методикой определения коэффициента трения для различного вида материалов (сталь, чугун, алюминий, латунь, дерево).

Общие сведения

Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 500 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллепипеды, скользящие по доске, причём, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи стали известны уже после того, как классические законы трения были вновь открыты французскими учёными Амонтоном и Кулоном.

Трением называется сопротивление возможному или действительному перемещению соприкасающихся тел, возникающему в месте их соприкосновения.

По кинематическим признакам различают трение скольжения (трение 1-го рода) и трение качения (трение 2-го рода).

Трение подошв человека о землю, о чем основана возможность его передвижения, является примером трения скольжения. Примером же трения качения является трение при перекатывании колес вагона по рельсам.

Многие обычные способы передвижения были бы совершенно невозможны при отсутствии трения.

Явление трения обусловлено множеством факторов механического, внутримолекулярного, термического, электрического и т.д. характера.

Трение – следствие многих причин, но основными из них являются две. Во-первых, поверхности тел всегда неровны, и зазубрены одной поверхности цепляются за шероховатости другой. Это так называемое геометрическое трение. Во-вторых, трущиеся тела очень близко соприкасаются друг с другом, и на их движение оказывает влияние взаимодействие молекул (молекулярное трение).

Шарль Кулон (1736-1806) установил основные приближенные законы для сухого трения скольжения при покое. Эти законы справедливы, когда поверхности тел не вдавливались друг в друга, а их шероховатость была не слишком велика.

Первый закон. Сила трения скольжения равна сдвигающей силе и заключена между нулем и максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия

Второй закон. Максимальная сила трения скольжения при всех прочих условиях не зависит от площади соприкосновения трущихся поверхностей.

Из этого закона следует, что для того, чтобы сдвинуть, например, кирпич, надо приложить одну и ту же силу независимо от того, какой гранью он положен на поверхность – широкой или узкой.

Третий закон. Максимальная сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опорную поверхность

Четвертый закон. Коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей (степени шероховатости, влажности, температуры и других условий).

Под сухим трением понимается трение при полном отсутствии жидкостного слоя между трущимися поверхностями. При перемещении под влиянием силы Р двух соприкасающихся тел по поверхности их соприкосновения возникает касательная реакция, которая направлена в противоположную сторону от движения. Она называется силой трения и определяется по формуле

где N - нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность; f - коэффициент трения.

Угол φ, образованный направлениями полной реакции и нормальной реакции N, называется углом трения (рис. 1).

Рис. 1 Схема распределения усилий

Коэффициент трения равен тангенсу этого угла:

Значение коэффициента трения зависит от материала пары трения, а также от условий, при которых эта пара работает.

Коэффициент трения скольжения в зависимости от различных условий устанавливается экспериментально.

Приведем значения коэффициента трения скольжения для некоторых материалов:

Сталь по льду............... 0,027

Сталь по стали.............. 0,15

Бронза по чугуну............. 0,16

Бронза по железу............. 0,19

Кожаный ремень

по чугуну............. 0,28

Приведенные выше данные содержат лишь приближенную оценку коэффициентов трения скольжения и поэтому пригодны лишь для приближенных технических расчетов. В некоторых приходится ставить особые эксперименты для определения более точных значений коэффициентов трения.

Законы Кулона приближенно справедливы при скольжении одного тела по поверхности другого с некоторой относительной скоростью. При этом коэффициент трения зависит от относительной скорости скольжения. Для большинства материалов он уменьшается с увеличением этой скорости. В приближенных технических расчетах обычно считают, что коэффициент трения скольжения не зависит от относительной скорости скольжения тела.

Описание лабораторной установки

Прибор ГП-1 предназначен для определения статических характеристик трения при малых скоростях относительного движения ползуна (рис. 2). В данной лабораторной работе с помощью прибора ГП-1 определяется коэффициент трения различных материалов.

Привод ползуна осуществляется от реверсивного электродвигателя 1, укрепленного на раме 5. Связь электродвигателя с ползуном 4 осуществляется посредством тросика 14, прикрепленного к установленной на ползуне пластинке, и шкивов 2 и 3. При вращении двигателя тросик, наматываясь с одной либо с другой стороны шкива, перемещает ползун вперед либо назад. В качестве контрэлемента 10 к ползуну крепится пластина, выполненная из стали, чугуна или алюминия. На станине жестко укреплен кронштейн 6 для зажима упругой балочки 7. На этом же кронштейне крепится индикатор 8 типа ИЧ (индикатор часового типа). Образец из испытуемого материала 9 соединен с упругой балочкой посредством стальной проволочки 11. Нагрузка на соприкасающиеся детали создается с помощью грузов 12. Сила трения фиксируется по величине прогиба балочки, который измеряется при помощи индикатора. Кроме того, силу трения возможно измерять с помощью датчиков сопротивления, наклеенных на упругую балочку. Показания прогиба регистрируются осциллографом или самописцем.

Рис. 2. Схема прибора ГП-1

Перед началом работы по определению коэффициента трения упругая балочка тарируется. Тарировку проводят следующим образом. К балочке прикрепляют нить, к другому концу нити подвешивается груз веса Р. Величину прогиба балочки, под действием этого веса определяют по числу делений индикатора (рис. 3).

Рис. 3. Схема тарировки упругой балочки

Данная операция повторяется несколько раз, увеличивая при этом вес груза. По значениям нагрузки P₁ Р₂, ... Р_i исоответствующим им показаниям индикатора строится тарировочный график, показывающий зависимость между нагрузкой и числом делений на индикаторе. Перед началом тарировки стрелка индикатора выставляется в нулевое положение.

После того как балочка была протарирована, приступают к определению коэффициентов трения материалов. Испытуемый образец соединяется с балочкой проволокой, затем грузом прижимается к пластине, служащей контртелом, прикрепленной к подвижной рамке.

При перемещении рамки вместе с пластинкой образец, удерживаемый проволочкой, будет отклонять балочку. Для данной нагрузки снимают показания индикатора. По тарировочному графику, зная число делений индикатора, определяется значение силы F, которая и будет равна силе трения F_mp: F = F_mp. Для расчетов берется прямолинейный участок графика, где справедлив закон Гука и балочка деформируется упруго.