"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Коэффициент трения скольжения показывает, насколько сильно сопротивляются движению соприкасающиеся поверхности. В лабораторной работе его находят для бруска, который равномерно тянут по горизонтальному столу: динамометр измеряет силу тяги, а по массе бруска с грузами рассчитывают силу давления на опору. Отношение этих сил и есть искомый коэффициент. Несколько опытов помогают проверить результат.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения скольжения — сила, возникающая, когда одна поверхность скользит по другой. Она направлена против движения соприкасающихся поверхностей относительно друг друга. Например, при движении бруска по столу трение действует на брусок вдоль стола и мешает его скольжению. Это понятие нужно, чтобы определить, какую силу следует измерить в опыте.
Сила нормальной реакции опоры — сила, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности соприкосновения. Обычно её обозначают N. На горизонтальном столе она направлена вверх, а сила тяжести — вниз. Эта сила нужна в расчёте, потому что именно с ней сравнивают силу трения.
Коэффициент трения скольжения — отношение силы трения скольжения к силе нормальной реакции опоры: μ = Fтр / N. Здесь Fтр — сила трения, а N — сила со стороны опоры. Коэффициент показывает, какая доля силы прижатия приходится на трение. Он не имеет единиц измерения, потому что в отношении ньютонов к ньютонам единицы сокращаются.
Динамометр — прибор для измерения силы; его показание выражают в ньютонах. В опыте прибором измеряют силу, с которой тянут брусок. Если брусок движется равномерно по горизонтали, это значение позволяет найти силу трения. Без динамометра пришлось бы определять силу другим способом.
Цель лабораторной работы — экспериментально определить коэффициент трения скольжения между поверхностями бруска и стола. Для этого нужно измерить силу трения и силу нормальной реакции опоры, а затем найти их отношение. Один опыт даёт результат для конкретной нагрузки, поэтому измерения повторяют с разным количеством грузов. Так можно проверить, насколько устойчиво получается значение коэффициента.
Брусок тянут по горизонтальному столу динамометром и стараются перемещать его равномерно. Равномерность важна потому, что при неизменной скорости ускорение равно нулю, а значит, силы вдоль стола уравновешены. Сила тяги направлена вперёд, а сила трения — назад. Следовательно, их модули равны: Fтяги = Fтр.
Во время равномерного движения смотрят на показание динамометра. Прибор измеряет силу тяги, а из равновесия сил следует, что она равна силе трения по модулю. Например, если динамометр показывает 1 Н, сила трения тоже равна 1 Н. Это правило подходит только для равномерного движения по горизонтали: при разгоне силы уже не уравновешены.
На горизонтальном столе брусок не движется вверх или вниз, поэтому силы в вертикальном направлении уравновешены. Сила тяжести тянет брусок вниз, а реакция опоры действует вверх; их модули равны. Сила тяжести рассчитывается по формуле Fтяж = mg, где m — масса бруска вместе с грузами, а g — ускорение свободного падения. Поэтому в опыте можно найти реакцию опоры по формуле N = mg.
Когда известны Fтр и N, коэффициент рассчитывают по формуле μ = Fтр / N. Массу бруска с грузами измеряют для каждой нагрузки, затем умножают её на g и находят N; силу трения снимают с динамометра при равномерном движении. Для следующего опыта добавляют или убирают груз и повторяют измерения. Полученные значения μ сравнивают, а при небольшом расхождении можно вычислить среднее арифметическое.
Заполняйте отдельную строку для каждого опыта. Массу указывайте в килограммах, силу нормальной реакции и силу трения — в ньютонах, а коэффициент вычисляйте делением силы трения на реакцию опоры. В последней строке запишите среднее значение коэффициента по опытам.
| Опыт | Масса бруска с грузами, кг | Сила нормальной реакции опоры, Н | Сила трения скольжения, Н | Коэффициент трения скольжения |
|---|---|---|---|---|
| Первый опыт | ||||
| Второй опыт с дополнительным грузом | ||||
| Третий опыт с другой нагрузкой | ||||
| Среднее значение коэффициента |
Брусок равномерно тянут по горизонтальному столу динамометром. Его показание равно 1,2 Н. Требуется определить силу трения скольжения, действующую на брусок. Условия опыта позволяют сравнить силу тяги с трением.
Ответ: сила трения скольжения равна 1,2 Н.
Масса бруска с грузом равна 0,5 кг, а динамометр при равномерном движении показывает 1,5 Н. Нужно найти коэффициент трения, принимая g = 10 Н/кг. Сначала определим силу реакции опоры, а затем используем отношение сил.
Ответ: коэффициент трения скольжения равен 0,3.
Для первого опыта получено N = 2 Н и Fтр = 0,6 Н, для второго — N = 4 Н и Fтр = 1,1 Н. Нужно вычислить коэффициент трения в каждом случае и сравнить результаты. Данные уже содержат силы, поэтому переход от массы к реакции опоры не требуется.
Ответ: коэффициенты равны 0,3 и 0,275; результаты близки с учётом возможной погрешности опыта.
Ошибка — считать, что показание динамометра всегда равно силе трения. Такое равенство действует в описанном опыте, когда брусок движется равномерно по горизонтали: при разгоне сила тяги и трение не уравновешены. Эту ошибку допускают, потому что забывают учесть характер движения. Проверьте, сказано ли в условии, что движение равномерное.
Ошибка — подставлять массу вместо силы нормальной реакции. Масса измеряется в килограммах, а реакция опоры — в ньютонах, поэтому они не могут заменять друг друга. Чтобы найти реакцию, сначала вычислите N = mg. Самопроверка проста: в столбце сил должны стоять ньютоны, а не килограммы.
Сила трения и нормальная реакция — разные силы, и смешивать их нельзя. Трение направлено вдоль поверхности, а реакция опоры — перпендикулярно ей. Их путают, когда рассматривают все силы тела без указания направления. Нарисуйте направления стрелками: на горизонтальном столе трение направлено вдоль стола, реакция — вверх.
Коэффициент трения — не сила, поэтому его нельзя выражать в ньютонах. Он получается делением Fтр на N, а единицы обеих сил сокращаются. Ошибка возникает, если воспринимать результат вычисления как ещё одну силу. Проверьте ответ: коэффициент — обычное число без единиц измерения.
Перед выполнением работы нужно уметь снимать показания динамометра и переводить массу в силу тяжести по формуле Fтяж = mg. Это связывает измерения сил с понятием массы и значением g. Работа также опирается на законы равновесия: при равномерном движении равнодействующая сил равна нулю. Измерение коэффициента трения пригодится при изучении взаимодействия тел и решении задач, где нужно рассчитывать действующие силы.
Почему брусок нужно тянуть равномерно?
При равномерном движении скорость бруска не меняется, значит, силы вдоль стола уравновешены. Поэтому сила тяги равна силе трения по модулю, и показание динамометра можно использовать для её определения.
Как понять, что показание динамометра равно силе трения?
Это верно, когда брусок движется равномерно по горизонтальной поверхности и динамометр тянет его вдоль стола. В таком случае сила тяги и сила трения уравновешивают друг друга.
Почему силу нормальной реакции можно найти через массу бруска?
На горизонтальном столе тело не ускоряется вверх или вниз, поэтому сила опоры уравновешивает силу тяжести. Сила тяжести равна mg, значит, N = mg.
Что делать, если в разных опытах получились разные коэффициенты?
Небольшое расхождение возможно из-за погрешности измерений и неравномерности движения. Сравните результаты и найдите их среднее значение; если различия велики, повторите измерения аккуратнее.
В каких единицах измеряется коэффициент трения?
Коэффициент трения не имеет единиц измерения. Он получается делением одной силы на другую, а единицы ньютонов сокращаются.
Лабораторная работа № 8 Измерение коэффициента трения скольжения
