Sprawozdanie z laboratorium z fizyki.doc

Sprawozdanie z laboratorium z fizyki

Ćwiczenie nr 4

Temat ćwiczenia: Badanie siły tarcia.

Data wykonania ćwiczenia: 13.03.07.

Sekcja nr 4 w składzie:

1 Major Arleta

2 Marszałek Weronika

3 Zelga Klaudia

Data oddania sprawozdania (uzupełnia prowadzący): …

Ocena (uzupełnia prowadzący): …

I Wstęp teoretyczny.

Tarcie jest siłą, która przeciwstawia się ruchowi obiektów. Siła ta jest zawsze skierowana przeciwnie

do prędkości. Kiedy działamy na ciało siłą F, pojawiająca się siła tarcia fs skierowana w przeciwną stronę, która przeciwdziała ruchowi. W rezultacie ciało pozostaje w spoczynku. Siła tarcia ma jednak pewną wartość graniczną, zwaną siłą tarcia statycznego. Warunek pozostawania ciała w spoczynku możemy więc zapisać w postaci 0<F<fs Gdy zwiększa się wartość przykładanej siły, wartość siły fs także wzrasta, a gdy osiąga wartość

graniczną Jeżeli siła F będzie większa od fs ciało zacznie się poruszać ruchem jednostajnie przyspieszonym, ale przyspieszenie będzie jednak mniejsze niż w przypadku działania

tylko siły F, bowiem siła tarcia, zwana siłą tarcia kinetycznego fk będzie przeciwdziałać ruchowi. Zależności te

możemy zapisać następująco: Aby ciało poruszało się ruchem jednostajnym, zazwyczaj konieczne jest

zmniejszenie przykładanej siły Tarcie statyczne > Tarcie kinetyczne

Mechanizm tarcia

Źródłem tarcia statycznego są punktowe oddziaływania atomowe. Efekty dźwiękowe stowarzyszone z tarciem (np.

przy ostrym hamowaniu samochodu, otwieraniu drzwi z zardzewiałymi zawiasami) są związane ze skokowym

charakterem ruchu ślizgowego. Tarciu zawdzięczamy dźwięki skrzypiec.

Właściwości siły tarcia

Jeśli ciało się nie porusza, to siła tarcia statycznego fs oraz składowa siły F równoległa do powierzchni, równoważą się. Siły mają jednakową wartość, a fs jest przeciwnie skierowana do składowej równoległej siły F.

Maksymalna wartość siły fs – oznaczmy ją fs,max, dana jest wzorem: fs, max= msN, gdzie ms jest współczynnikiem tarcia statycznego, N – to wartość siły normalnej (działającej ze strony powierzchni). Jeśli ciało ślizga się po powierzchni, wartość tarcia maleje do wartości: fk = mkN, gdzie mk jest współczynnikiem tarcia kinetycznego. mk i ms są bezwymiarowe, zależą od właściwości ciała.

Tarcie na równi pochyłej

Ciało znajdujące się na równi pochyłej działa siłą ciężkości Q, której wektor skierowany jest prostopadle do podłoża. Rozłóżmy wektor siły Q na składowe:

- siła nacisku N, skierowana zawsze prostopadle do powierzchni równi

- siła powodująca zsuwanie ciała Fs, której wektor jest równoległy do powierzchni równi

Ponadto występują jeszcze siły FR- siła reakcji podłoża, która równoważy siłę nacisku N oraz siła tarcia - przeciwnie skierowana do siły Fs i równa jej jeżeli ciało nie zsuwa się z równi.

Kąt jaki tworzy ze sobą siła nacisku N i ciężar Q jest zawsze taki sam jak kąt nachylenia równi (ponieważ trójkąt xhl jest podobny do trójkąta NFsQ), więc dysponując ciężarem i kątem nachylenia równi pochyłej możemy wyliczyć każdą siłę. I tak:

sina=Fs/Q, czyli Fs=Qsina

cosa=N/Q, czyli N=Qcosa

Ponadto prawdziwe są proporcje:

N/Q=x/l

z twierdzenia Pitagorasa  więc

oraz

Pozostaje nam jeszcze jedna siła- siła tarcia. Jeżeli ciało na równi pozostaje w spoczynku to siła tarcia jest równa sile zsuwania. Dzięki temu za pomocą równi możemy obliczać współczynniki tarcia statycznego. Aby to zrobić należy umieścić ciało na równi o jak największym kącie nachylenia, przy czym ciało nie może się przemieszczać! Wtedy Fs=Tmax (Tmax-maksymalna wartość tarcia statycznego), wiemy też, że:

Tmax=f0N, więc:

Fs=f0N, i tak otrzymujemy

f0=Fs/N

Korzystając z wcześniej wyprowadzonych wzorów otrzymujemy:

f0=Qsina/Qcosa, co po przekształceniu daje:

f0=tga

Tarcie przy toczeniu

Z doświadczenia wiemy, że podczas przetaczania ciężkiego walca po poziomej płaszczyźnie występuje opór, który

nazywamy oporem toczenia lub przez analogię do tarcia poślizgowego tarciem tocznym. Załóżmy, że sztywny walec o ciężarze G spoczywa na sztywnej poziomej płaszczyźnie. Do walca przyłożymy

poziomą siłę F odległą od płaszczyzny o h.

Dla każdej wartości siły F≠0 i h≠0 siła ta daje moment względem punktu A, którego wartość jest różna od zera: M=Fh≠0 W tej sytuacji najmniejsza siła F spowodowałaby obrót walca (toczenie), co jest sprzeczne z zachowaniem się ciał rzeczywistych w podobnej sytuacji. Zjawisko oporu toczenia jest spowodowane odkształcaniem się

zarówno walca, jak i płaszczyzny, na której on spoczywa – styk walca i płaszczyzny nie odbywa się wzdłuż tworzącej przechodzącej przez punkt A, lecz na ograniczonej powierzchni wynikającej ze wzajemnych odkształceń w miejscu styku walca i powierzchni.

Siła N jest więc wypadkową nacisków normalnych występujących na płaszczyźnie styku i działających na walec i jest przesunięta o pewną odległość w stosunku do punktu A w kierunku możliwego toczenia się. Aby równowaga walca była zachowana, moment siły F względem punktu A musi być zrównoważony momentem siły normalnej N względem tego punktu: Fh=M(N). Moment M(N) nie może wzrastać nieograniczenie, lecz tylko do pewnej

maksymalnej wartości. W przypadku granicznym jest on proporcjonalny do reakcji normalnej: Występujący w tym wzorze współczynnik proporcjonalności f nazywamy współczynnikiem tarcia tocznego albo ramieniem tarcia tocznego. Współczynnik ten ma wymiar długości i jest podawany w metrach.

II Przebieg ćwiczenia:

1.      Opis wykonywanych czynności;

1.      Tarcie kinetyczne i statyczne, badane na równi pochyłej

Siłę tarcia statycznego oraz kinetycznego badano na równi pochyłej z możliwością dynamicznej zmiany kąta.

    -Fn

x

Fs

       α

Gsinα

α

Gcosα

G

y

By zbadać maksymalną siłę tarcia dla badanych obiektów, kładziono je na równi pochyłej z możliwością zmiany kąta nachylenia i powoli zwiększano kąt, do momentu ruszenia się ciała. Odczytana maksymalna wartość kąta daje obraz największej siły tarcia, jaka jest w stanie utrzymać ciało w bezruchu, mimo działających sił zewnętrznych.

Fs =sFn

oraz

G cosα = Fn

G sinα = sFn

Z tego otrzymujemy:

s = tg αs

Jak widać aby otrzymać wartość współczynnika tarcia wystarczy zmierzyć wartość kąta α.

Następnie po wykonaniu tych czynności badano współczynnik tarcia kinetycznego. Po osiągnięciu maksymalnego wychylenia i ruszeniu się ciała, redukowano kąt tak, by ciało poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Odczytana wartość była tak jak poprzednio informacją do obliczenia współczynnika tarcia.

k = tg αk

2.      Tarcie toczne

Ćwiczenie wykonano podobnie jak przy wyznaczaniu współczynnika tarcia dla klocka

3.      Pomiar sił tarcia przy toczeniu i ślizganiu

Do wyznaczenia siły tarcia przy toczeniu i ślizganiu posłużono się przyrządem:

  sprężyna

dynamometr

F

W pierwszej kolejności badano siłomierzem, jaką siłę należy przyłożyć, by odkształcić sprężynę o długość l, gdy bloczek był odblokowany. Przeprowadzano po 6 pomiarów dla każdej z trzech długości sprężyny. Następnie przeprowadzano tę samą procedurę przy zablokowanym bloczku.

2.      Tabele wyników

a)     Badanie tarcia na równi pochyłej: