Исследование зависимости силы трения скольжения от нормального давления

Цель работы: с помощью экспериментальной установки исследовать зависимость силы трения скольжения от силы нормального давления (силы нормальной реакции опоры).

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 2 в составе: каретка с крючком, динамометр с пределом измерения 5 Н, набор из трёх грузов массой по сто граммов каждый, и направляющая.

Итак, для начала с вами вспомним, что сила трения скольжения — это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. При этом, как было установлено Гийомом Амонтоном и Шарлем Кулоном, модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы нормальной реакции опоры:

Именно эту зависимость мы с вами сейчас и проверим. Начнём выполнять задания по порядку.

Итак, первое, что мы с вами сделаем — это нарисуем схематический рисунок нашей 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.

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:

Аналогично находим, что модуль силы тяги равен модулю силы упругости, действующей со стороны пружины динамометра.

Сила же нормальной реакции опоры будет равна по модулю и противоположна по направлению весу тела, который, в случае покоя или равномерного прямолинейного движения, равен силе тяжести, действующей на каретку:

Теперь приступаем непосредственно к работе. Результаты всех измерений с учётом погрешностей мы с вами будем заносить в такую таблицу.

Вначале давайте с вами измерим вес каретки с грузами при помощи динамометра. Для этого к крючку динамометра будем подвешивать каретку поочерёдно с одним, двумя и тремя груза и снимать показания. Результаты наших измерений мы заносим в таблицу с учётом погрешности измерения.

Отметим, что если груз не хочет плотно фиксироваться на каретке, то необходимо измерить по отдельности вес каретки и вес груза, а результаты измерения сложить:

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

Результат измерения силы тяги заносим в табличку, не забывая указывать погрешность измерения.

Затем повторяем опыт, закрепив сначала на каретке два, а затем и три груза.

Уже сейчас видно, что при увеличении силы нормального давления сила трения скольжения, возникающая между кареткой и поверхностью рейки, также увеличивается. Однако для полной уверенности (и убеждения проверяющих) можно построить график зависимости силы трения скольжения от веса каретки.

Как видим, все наши три точки легли на прямую линию. Значит вывод можно написать так: сила трения скольжения, возникающая между поверхностью каретки и поверхностью рейки, линейно увеличивается при увеличении силы нормального давления.

Теперь исследуем зависимость силы трения скольжения от рода поверхности.

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 2 в составе: каретка с крючком, динамометр с пределом измерения 5 Н, набор из двух грузов массой по сто граммов каждый, и направляющая с двумя поверхностями — «А» и «Б», коэффициенты трения которых заранее известны.

Итак, начинаем, как всегда, со схематического рисунка экспериментальной установки. Для этого мы нарисуем рейку и обозначим её поверхности. На рейке нарисуем каретку с грузами в виде прямоугольника. К торцу каретки дорисуем динамометр. 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.

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:

Аналогично находим, что модуль силы тяги равен модулю силы упругости, действующей со стороны пружины динамометра.

Вес каретки с грузами, в данном случае, нам искать необязательно. Поэтому цепляем каретку с грузами к динамометру и без резких движений (стараемся как можно равномернее) протягиваем каретку вдоль рейки по стороне «А». При этом незабываем смотреть на показания динамометра. Проводим опыт несколько раз, чтобы убедиться в правильности показаний динамометра.

Результат измерения силы тяги записываем с учётом погрешности измерения силы тяги.

Затем повторяем опыт, перевернув рейку стороной «Б» вверх.

Какой вывод можно сделать по результатам опытов? Наверное такой: сила трения зависит от рода поверхности: при увеличении коэффициента трения сила трения также увеличивается.