20 марта 2018

Перехватов И.А. Изучение и сравнение методов измерения коэффициентов сухого трения

Перехватов Иван Алексеевич,
учитель физики
ГБОУ г. Москвы «Школа № 1547» Подразделение № 3 «Эврика-Огонек»
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Греческое обозначение коэффициента трения μ (мю) знают даже поверхностно знакомые с увлекательным миром физики семиклассники. Всегда найдется ученик, который волей случая или по наитию, а может быть, в шутку произнесет эту букву протяжно, напомнив «знатокам» из профильного класса о тройственном проявлении сил сухого трения и трех соответствующих коэффициентах: коэффициенте максимальной силы трения покоя, коэффициенте трения скольжения и коэффициенте трения качения.

Первый из упомянутых – коэффициент максимальной силы трения покоя – в рамках школьной физики автоматически приравнивается к коэффициенту трения скольжения. Задача, связанная с сухим трением, решается в рамках упрощенной модели, противоречивость которой очевидна даже для младшего школьника. На вопрос, что легче: тащить тело или сдвинуть его с места – он обязательно ответит, что легче тащить, чем сдвинуть.

Обратить внимание на фактическую ситуацию с сухим трением покоя в рамках лабораторного практикума в профильном классе необходимо если не количественно, то качественно. Целесообразно и оправданно выявить и изучить закономерности режима трения покоя на границе с режимом трения скольжения, чтобы учащиеся, во-первых, понимали и принимали общепринятое упрощение с оговоркой, во-вторых, знали, когда необходимо учитывать действительное положение тел, а когда можно следовать принятой модели в рамках рассмотрения той или иной практической или теоретической задачи.

Конечно, указатель пружинного динамометра демонстрирует динамику силы сухого трения, и характерный максимум силы трения покоя в момент «срыва с места» отчетливо виден даже при проведении демонстрационного эксперимента. Интерес же представляет графическое изображение зависимости силы трения от приложенной силы с характерным пиком трения покоя и горизонтальной линией графика трения скольжения при движении с постоянной скоростью. Данный график строится при помощи цифрового датчика силы, а также устройства обработки и вывода результатов эксперимента (УИОД). Полученные таким образом числовые данные позволят с использованием закона Амонтона – Кулона вычислить значение коэффициента максимальной силы трения покоя и значение коэффициента трения скольжения. Сравнивая эти значения, учащиеся могут оценить степень упрощения в общепринятой модели.

Измерить коэффициент трения скольжения предлагается еще несколькими способами: а) изучая равномерное соскальзывание тела с наклонной плоскости – определение «через тангенс»; б) рассматривая равноускоренное соскальзывание тела с наклонной плоскости с использованием секундомера с магнитными датчиками движения; в) используя закон сохранения энергии, в котором сила трения скольжения останавливает тело, приведенное в движение нитью, связанной с растянутой пружиной динамометра, при этом работа силы трения до полной остановки тела численно равна потенциальной энергии растянутой пружины, вычислить которую помогут закон Гука и показания динамометра.

Силы трения покоя и скольжения осязаемы и измеряемы. Однако нетривиальным оказывается измерение силы трения качения и соответствующего этой силе коэффициента трения качения. Даже использование закона Амонтона – Кулона в качестве инструмента оценки порядка величины коэффициента трения качения сопряжено с рядом трудностей, которые не возникают, если речь идет о трении скольжения или покоя. В частности, расчет коэффициента трения качения методом равномерного скатывания с наклонной плоскости заслуживает разве что ироничной улыбки, так как угол оказывается исчезающе малым. Использование метода равноускоренного скатывания с наклонной плоскости неизбежно приводит к неутешительной необходимости учета момента инерции вращающегося вокруг оси симметрии скатывающегося тела. Простое решение этой задачи нашлось на площадке закона сохранения энергии, причем в буквальном смысле – тело плавно, без начальной скорости скатывается с короткого спуска площадки очень малой высоты на горизонтальный участок изучаемой поверхности, при этом первоначальный запас потенциальной энергии гравитационного взаимодействия к моменту остановки полностью исчерпывается отрицательной работой именно силы трения качения. Применяя закон Амонтона – Кулона для приближенной оценки коэффициента трения качения, потребуется измерить только высоту «горки» и дальность до места остановки, которая (на заметку) оказывается в сотни раз больше возвышения. Простой по исполнению метод потребует кропотливой подготовки: изучаемая поверхность, по которой будет катиться тело, должна быть исключительно плоской и горизонтальной, чтобы свести к нулю работу силы тяжести при горизонтальном качении тела до остановки.

Разрозненные по содержанию, методам и целям задания предлагаемой лабораторной работы целесообразно унифицировать по материальному признаку – материалу взаимодействующих поверхностей. Для этого нужно измерить коэффициенты максимальной силы трения покоя, скольжения и качения стандартизированного материала, например офисной бумаги. Нарезанные полоски легко крепятся на подопытный брусок и на горизонтальные поверхности скольжения; также не составит труда спирально, но не внахлёст обернуть бумажной полоской гладкую поверхность катящегося цилиндра, обрезав бумагу по торцам.

В данной лабораторной работе можно использовать и другие методы определения коэффициентов трения, не только предлагаемый стандартизированный материал. Учащиеся могут предложить на обсуждение и экспериментальную проверку свои способы, в частности, расчета коэффициента трения скольжения обуви о пол, бруска о стену и т.д., но главное – основная работа. Поэтому лишь в некоторые задания включена оценка погрешностей прямых и косвенных измерений – выборочно, с оглядкой на время выполнения основной работы и время для обсуждения предложений.

Теоретическое исследование силы сухого трения едва ли возможно, поскольку сила трения является результатом сложения огромного количества межмолекулярных сил, действующих на границе контакта двух тел. Сложность происходящих при этом процессов делает невозможным полное описание силы трения на языке классической механики. Тем не менее можно и нужно изучать данное явление и экспериментально выявлять различные эмпирические закономерности, которым подчиняется сухое трение.

Текст лабораторной работы (PDF)

Список литературы:

1. Мякишев Г.Я. Физика. Механика. 10 кл. Профильный уровень. М.: Дрофа, 2011. 496 стр.
2. Перышкин А.В. Физика 7 класс. М.: Дрофа, 2011. 224 стр.
3. Покровский А.А. Практикум по физике. М.: Учпедгиз, 1975. 224 стр.
4. Евграфова Н.Н. Курс физики. М.: Высшая школа, 1978. 487 стр.
5. Гурский И.П. Элементарная физика. М.: Наука, 1986. 448 стр.

Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.

 

Просмотров 488