Як вымераць сілу трэння
Трэнне — адна з найбольш распаўсюджаных сіл, з якімі мы сутыкаемся ў паўсядзённым жыцці, ад счаплення абутку з дарожным пакрыццём, ад слізгацення аўтамабільных шын да працэсу сцірання слядоў алоўка гумкай. Нягледзячы на ўяўную простасць, трэнне адыгрывае вырашальную ролю ў навуцы і тэхніцы, бо ўплывае на эфектыўнасць руху, бяспеку і прадукцыйнасць розных інструментаў. Таму разуменне таго, як вымяраць трэнне, з'яўляецца фундаментальным навыкам у фізіцы, асабліва ў дынаміцы.
1. Зразумейце асноўную канцэпцыю сілы трэння
Увогуле, трэнне — гэта сіла, якая ўзнікае, калі дзве паверхні датыкаюцца і рухаюцца (або імкнуцца рухацца) адносна адна адной. Кірунак сілы трэння заўсёды процілеглы кірунку руху або імкненню аб'екта да руху.
Існуе два асноўныя тыпы сіл трэння:
1. Сіла статычнага трэння (ст): узнікае, калі аб'ект яшчэ не рухаецца, але сіла спрабуе яго зрушыць. Яе велічыня змяняецца, пакуль не дасягне максімальнага значэння.
2. Кінетычная сіла трэння (fk): узнікае, калі аб'ект ужо рухаецца. Яе значэнне адносна больш пастаяннае, чым статычнае трэнне.
Распаўсюджаныя формулы, якія часта выкарыстоўваюцца:
– Максімальная сіла статычнага трэння:
\[
f_{s \max} = \mu_s \, N
\]
– Кінетычная сіла трэння:
\[
f_k = \mu_k \, N
\]
інфармацыя:
– \( \mu_s \) = каэфіцыент статычнага трэння
– \( \mu_k \) = каэфіцыент кінетычнага трэння
– \( N \) = нармальная сіла (сіла павярхоўнага ціску на аб'ект)
Вымярэнне сілы трэння азначае, што мы вызначаем значэнне сілы, якая дзейнічае, эксперыментальна, звычайна з дапамогай прыбора для вымярэння сілы або з дапамогай аналізу руху.
2. Інструменты і матэрыялы для вымярэння сілы трэння
Для простых эксперыментаў у школе ці дома неабходныя інструменты знайсці адносна лёгка:
– Дынамометр (спружынныя вагі): інструмент для вымярэння сілы ў ньютанах (Н)
– Прадметы для праверкі: напрыклад, драўляныя кубікі, гумкі, невялікія скрыначкі
– Тэставыя паверхні: драўляныя сталы, шкло, керамічныя падлогі, наждачная папера, папера
– Вяроўка або кручок: для перацягвання прадметаў
– Масавая шкала (неабавязкова): каб высветліць масу аб'екта
– Транспарцір і нахіленая плоскасць (калі выкарыстоўваецца метад нахіленай плоскасці)
З дапамогай гэтага простага інструмента мы можам вымераць максімальную сілу статычнага трэння, а таксама сілу кінетычнага трэння.
3. Метад 1: Вымярэнне сілы трэння з дапамогай дынамометра (метад гарызантальнага выцягвання)
Найбольш прамы метад - гэта перацягнуць аб'ект па роўнай паверхні з дапамогай дынамометра.
А. Вымярэнне максімальнай сілы статычнага трэння
Лангках-лангках:
1. Пакладзеце прадмет (напрыклад, драўляны брусок) на роўную паверхню.
2. Зачапіце нітку вакол прадмета і падключыце яе да дынамометра.
3. Павольна цягніце і паступова павялічвайце сілу нацяжэння.
4. Сачыце за паказаннямі дынамометра. Пакуль аб'ект не рухаецца, сіла статычнага трэння будзе роўная сіле расцяжэння.
5. Запішыце значэнне сілы, калі аб'ект толькі пачынае рухацца. Гэта значэнне і ёсць максімальная сіла статычнага трэння (\( f_{s \,max} \)).
Важная заўвага: занадта хуткае адцягненне можа прывесці да рэзкага рэзкага рэзкага павелічэння паказчыкаў і зніжэння іх дакладнасці. Адцягненне павінна быць паступовым.
B. Вымярэнне сілы кінетычнага трэння
Лангках-лангках:
1. Пасля таго, як аб'ект пачне рухацца, падтрымлівайце прыцягненне, каб аб'ект рухаўся з пастаяннай хуткасцю.
2. Калі хуткасць пастаянная, то выніковая сіла імкнецца да нуля, гэта значыць, што сіла цягі такая ж, як і кінетычная сіла трэння.
3. Звярніце ўвагу на лік, які стабільна паказвае дынамометр падчас пастаяннага руху. Гэта \( f_k \).
Звычайна (f_k) меншае за f_{s \max} . Вось чаму аб'ектам цяжэй «пачаць рухацца», чым «падтрымліваць рух».
4. Разлік каэфіцыента трэння па вымярэннях
Калі вядома нармальная сіла (N), можна вылічыць каэфіцыент трэння.
На роўнай паверхні:
\[
N = мг
\]
з:
– \(m \) = маса аб'екта (кг)
– \(g \) = паскарэнне сілы цяжару (≈ 9,8 м/с² або 10 м/с² для прыбліжэння)
Калі мы атрымалі \( f_{s \,max} \), то:
\[
\mu_s = \frac{f_{s \max}}{N}
\]
Калі атрымана значэнне \( f_k ), то:
\[
\mu_k = \frac{f_k}{N}
\]
Кароткі прыклад
Напрыклад, на стол цягнуць брусок масай 2 кг.
Сіла ў пачатку руху складае 6 Н, а пры пастаянным руху — 4 Н.
Такім чынам:
– (N = мг = 2 × 10 = 20) N
– \( \μ_s = 6/20 = 0,3 \)
– \( \mu_k = 4/20 = 0,2 \)
Гэты вынік мае сэнс, бо каэфіцыент кінетычнага трэння звычайна меншы.
5. Метад 2: Вымярэнне сілы трэння з дапамогай нахільнай плоскасці
Метад нахіленай плоскасці часта выкарыстоўваецца, калі няма дынамометра, або ў якасці альтэрнатыўнага метаду.
Прынцып
Мы павялічваем вугал нахілу дошкі, пакуль прадмет не пачне слізгаць. У гэты момант складнік сілы вагі, паралельны плоскасці, будзе роўны максімальнай сіле статычнага трэння.
Калі крытычны вугал роўны \( \theta \), то:
\[
μ_s = tg(θ)
\]
Гэта тычыцца ўмовы, калі аб'ект проста пачынае рухацца па нахільнай плоскасці без якой-небудзь дадатковай сілы.
Лангках-лангках:
1. Змесціце прадмет на дошку.
2. Павольна падымайце дошку, каб вугал паступова павялічваўся.
3. Звярніце ўвагу на вугал, пад якім аб'ект пачынае рухацца.
4. Вымерайце вугал з дапамогай транспарціра або прыкладання для вымярэння вуглоў.
5. Вылічыце \( \mu_s \), выкарыстоўваючы \( \tan(\theta) \).
Для кінетычнага трэння можна задаць пэўны вугал і вымераць паскарэнне аб'екта падчас яго слізгацення, а затым прааналізаваць сілы, якія дзейнічаюць. Аднак гэты метад крыху больш складаны і звычайна патрабуе вымярэння часу/адлегласці.
6. Фактары, якія ўплываюць на вынікі вымярэнняў
Вымярэнне сілы трэння не заўсёды дае аднолькавае значэнне, бо на яго ўплывае мноства фактараў, у тым ліку:
– Шурпатасць паверхні: шурпатыя паверхні звычайна павялічваюць трэнне.
– Чысціня паверхні: пыл, алей або вада могуць змяніць каэфіцыент трэння.
– Плошча кантакту: у ідэальных фізічных мадэлях плошча кантакту непасрэдна не ўплывае на трэнне, але ў рэальных матэрыялах яна можа змяняцца з-за дэфармацыі.
– Хуткасць руху: у некаторых матэрыялах трэнне можа змяняцца са зменай хуткасці.
– Тэмпература і вільготнасць: асабліва для гумы або матэрыялаў, якія лёгка мяняюць уласцівасці.
– Як цягнуць: калі сіла цягі не паралельная паверхні (злёгку прыўзнятая), нармальная сіла змяняецца, таму трэнне таксама змяняецца.
Таму для больш дакладных вынікаў правядзіце эксперымент некалькі разоў і вазьміце сярэдняе значэнне.
7. Парады для больш дакладных вымярэнняў
Некалькі практычных парад:
1. Павольна цягніце прадмет, вымяраючы максімальнае статычнае трэнне.
2. Пераканайцеся, што сіла нацяжэння паралельная паверхні, каб \(N \) не змянялася.
3. Паўторна вымярайце не менш за 3 разы.
4. Звярніце ўвагу на стан паверхні (сухая, пыльная, слізкая), каб можна было параўнаць дадзеныя.
5. Выкарыстоўвайце ўстойлівы прадмет, які не лёгка перакуліцца, каб сіла вымяралася правільна.
Закрыццё
Вымярэнне трэння можна зрабіць простым, але навуковым спосабам. Найбольш распаўсюджаны метад - выкарыстанне дынамометра для вымярэння сілы, калі аб'ект пачынае рухацца (максімальнае статычнае трэнне) і калі ён рухаецца з пастаяннай хуткасцю (кінетычнае трэнне). Іншым альтэрнатывай з'яўляецца метад нахіленай плоскасці, які выкарыстоўвае крытычны вугал для вызначэння каэфіцыента статычнага трэння. З вымярэнняў мы таксама можам разлічыць каэфіцыент трэння і зразумець, як стан паверхні ўплывае на велічыню трэння.
Разумеючы, як вымяраць трэнне, мы не толькі вывучаем фізічную канцэпцыю, але і разумеем важную з'яву, якая вызначае бяспеку, эфектыўнасць і камфорт у розных паўсядзённых справах і ў інжынерыі. Пры жаданні я магу таксама дадаць табліцу эксперыментальных дадзеных, фармат лабараторнага справаздачы або практычныя пытанні, звязаныя з трэннем.
