Определение работы силы трения

Цель этой работы: с помощью экспериментальной установки определить работу, совершаемую силой трения при равномерном движении одного тела по поверхности другого.

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 2 в составе: каретка с крючком, динамометр с пределом измерения 1 Н, а также два груза массой по сто граммов каждый.

Прежде чем приступить к работе давайте с вами вспомним, что механическая работа — это скалярная физическая величина, которая характеризует процесс перемещения тела под действием силы. И если тело под действием постоянной силы двигается прямолинейно и совершает перемещение в направлении действия силы, то сила совершает работу, равную произведению модуля этой силы и модуля перемещения:

Если же направление действия силы не совпадает с направлением перемещения тела, то в общем случае работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

Единицей измерения работы в метрической системе единиц является джоуль:

Необходимо также вспомнить, что в общем случае перемещения разных точек твёрдого тела различны. Поэтому при определении работы под перемещением обычно понимают перемещение точки приложения силы.

Теперь приступим к выполнению работы. Итак, первое, что мы с вами делаем, — это подготавливаем экспериментальную установку, положив на стол направляющую рейку и закрепив в каретке два груза.

Далее мы с вами делаем рисунок экспериментальной установки. Для этого мы нарисуем ровную поверхность, на которой расположим каретку с грузами в виде прямоугольника. К одному из торцов каретки пририсуем динамометр так, как это показано на экране. Давайте укажем силы, действующие на брусок. Во-первых, это сила тяги, действующая со стороны динамометра, сила трения скольжения, действующая между поверхностями каретки и рейки, сила нормальной реакции опоры, действующая перпендикулярно опоре. И сила тяжести бруска, направленная вертикально вниз.

Запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. Как мы уже вспоминали, в общем случае работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

По рисунку брусок у нас движется вправо, а сила трения, работу которой нам надо найти, направлена влево. То есть угол между вектором силы и вектором перемещения равен 180°. А .

Свяжем с нашей установкой инерциальную систему отсчёта. Тогда на основании третьего закона Ньютона при равномерном прямолинейном движении каретки по поверхности рейки сила трения и сила тяги будут равны по модулю и противоположны по направлению:

С другой стороны, модуль силы тяги будет равен модулю силы упругости, действующей со стороны пружины динамометра.

С учётом вышесказанного получаем, что работа силы трения будет отрицательна и равна произведению модуля силы тяги и модуля перемещения:

Теперь приступаем непосредственно к работе. Вначале давайте с вами запишем значение модуля перемещения с учётом погрешности измерений:

Далее цепляем каретку к динамометру, с пределом измерения один ньютон и без резких движений (стараемся как можно равномернее) протягиваем каретку вдоль рейки на 40 см. При этом незабываем смотреть на показания динамометра. Желательно провести опыт несколько раз, добившись тем самым примерно одинаковых показаний.

Результаты измерения силы тяги записываем в бланк ответов с учётом погрешности измерения:

Прямы измерения мы с вами завершили — осталось только определить работу силы трения. Подставляем значения силы тяги и модуля перемещения в расчётную формулу:

Таким образом, работа силы трения равна –0,26 Дж.