Conferință științifică și practică
Coeficient de frecare lor Metode a lui calcul
Penza 2010
I capitol. Partea teoretică
1. Tipuri de frecare, coeficient de frecare
capitolul II. Partea practică
Calculul frecării statice, de alunecare și de rulare
Calculul coeficientului de frecare statică
Bibliografie
I capitol. Partea teoretică
1. Tipuri de frecare, coeficient de frecare
Întâmpinăm frecări la fiecare pas. Mai corect ar fi să spunem că fără frecare nu putem face nici măcar un pas. Dar în ciuda asta mare rol, pe care frecarea o joacă în viața noastră, încă nu a fost creată o imagine suficient de completă a apariției frecării. Acest lucru nu se datorează nici măcar faptului că frecarea este de natură complexă, ci mai degrabă faptului că experimentele de frecare sunt foarte sensibile la tratarea suprafeței și, prin urmare, greu de reprodus.
Există externși frecare internă (altfel numitviscozitate ). Extern numit acest tip de frecare, în care, în punctele de contact ale corpurilor solide, apar forțe care împiedică mișcarea reciprocă a corpurilor și sunt direcționate tangențial la suprafețele acestora.
frecare internă (vâscozitatea) este tipul de frecare, care constă în faptul că în timpul deplasării reciproce. straturi de lichid sau gaz între ele există forțe tangențiale care împiedică o astfel de mișcare.
Frecarea externă este împărțită înfrecare statică (frecare statică ) și frecare cinematică . Frecarea de repaus apare între corpurile solide fixe atunci când oricare dintre ele încearcă să se miște. Frecarea cinematică există între corpuri rigide în mișcare care se ating reciproc. Frecarea cinematică, la rândul ei, este subdivizată înfrecare de alunecare și frecare de rulare .
Forțele de frecare joacă un rol important în viața umană. În unele cazuri le folosește, iar în altele se luptă cu ei. Forțele de frecare sunt de natură electromagnetică.
Dacă corpul alunecă pe orice suprafață, mișcarea acestuia este împiedicată deforța de frecare de alunecare.
Unde N - forța de reacție a suportului, aμ - coeficient de frecare de alunecare. Coeficientμ depinde de materialul și calitatea prelucrării suprafețelor de contact și nu depinde de greutatea corporală. Coeficientul de frecare este determinat empiric.
Forța de frecare de alunecare este întotdeauna îndreptată opus mișcării corpului. Când se schimbă direcția vitezei, se schimbă și direcția forței de frecare.
Forța de frecare începe să acționeze asupra corpului atunci când încearcă să-l miște. Dacă o forţă externăF mai putin produsμN, atunci corpul nu se va mișca - începutul mișcării, după cum se spune, este împiedicat de forța de frecare statică. Corpul va începe să se miște numai atunci când o forță externăF depăşeşte valoarea maximă pe care o poate avea forţa statică de frecare
Frecarea de repaus - forță de frecare care împiedică mișcarea unui corp pe suprafața altuia.
capitolul II. Partea practică
1. Calculul frecării statice, de alunecare și de rulare
Pe baza celor de mai sus, am găsit, empiric, forța de frecare a repausului, alunecării și rostogolirii. Pentru a face acest lucru, am folosit mai multe perechi de corpuri, ca urmare a interacțiunii cărora va apărea o forță de frecare și un dispozitiv pentru măsurarea forței - un dinamometru.
Iată următoarele perechi de corpuri:
un bloc de lemn sub formă de paralelipiped dreptunghiular de o anumită masă și o masă de lemn lăcuită.
un bloc de lemn sub forma unui paralelipiped dreptunghiular cu masa mai mica decat prima si o masa de lemn lacuita.
un bloc de lemn sub formă de cilindru de o anumită masă și o masă de lemn lăcuită.
un bloc de lemn sub formă de cilindru cu mai puțin decât prima masă și o masă de lemn lăcuită.
După efectuarea experimentelor - s-a putut trage următoarea concluzie -
Forța de frecare a repausului, alunecării și rulării este determinată empiric.
Frecare de repaus:
Pentru 1) Fp=0,6 N, 2) Fp=0,4 N, 3) Fp=0,2 N, 4) Fp=0,15 N
Alunecare prin frecare:
Pentru 1) Fc=0,52 N, 2) Fc=0,33 N, 3) Fc=0,15 N, 4) Fc=0,11 N
Laminare prin frecare:
Pentru 3) Fk=0,14 N, 4) Fk=0,08 N
Astfel, am determinat experimental toate cele trei tipuri de frecare externă și am obținut asta
Fп > Fс > Fк pentru același corp.
2. Calculul coeficientului de frecare statică
Dar mai interesant nu este forța de frecare, ci coeficientul de frecare. Cum se calculează și se stabilește? Și am găsit doar două moduri de a determina forța de frecare.
Prima modalitate este foarte simplă. Cunoscând formula și determinând empiric și N, este posibil să se determine coeficientul de frecare statică, de alunecare și de rulare.
1) N 0,81 N, 2) N 0,56 N, 3) N 2,3 N, 4) N 1,75
Coeficient de frecare statica:
= 0,74; 2) = 0,71; 3) = 0,087; 4) = 0,084;
Coeficient de frecare de alunecare:
= 0,64; 2) = 0,59; 3) = 0,063; 4) = 0,063
Coeficient de frecare la rulare:
3) = 0,06; 4) = 0,055;
Referindu-mă la datele tabelare, am confirmat corectitudinea valorilor mele.
Dar și al doilea mod de a găsi coeficientul de frecare este foarte interesant.
Dar această metodă determină bine coeficientul de frecare statică și apar o serie de dificultăți în calcularea coeficientului de frecare de alunecare și de rulare.
Descriere: Corpul este în repaus cu un alt corp. Apoi capătul celui de-al doilea corp pe care se află primul corp începe să fie ridicat până când primul corp se mișcă.
\u003d sin / cos \u003dtg \u003d BC / AC
Pe baza celei de-a doua metode, am calculat un anumit număr de coeficienți statici de frecare.
Lemn cu lemn:
AB = 23,5 cm; BC = 13,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 13,5 / 23,5 \u003d 0,57
2. Styrofoam pentru lemn:
AB = 18,5 cm; BC = 21 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 21 / 18,5 \u003d 1,1
3. Sticla pe lemn:
AB = 24,3 cm; BC = 11 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 11 / 24,3 \u003d 0,45
4. Lemn de aluminiu:
AB = 25,3 cm; BC = 10,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 10,5 / 25,3 \u003d 0,41
5. Oțel pe lemn:
AB = 24,6 cm; BC = 11,3 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 11,3 / 24,6 \u003d 0,46
6. Org. Sticla pe lemn:
AB = 25,1 cm; BC = 10,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 10,5 / 25,1 \u003d 0,42
7. Grafit pe lemn:
AB = 23 cm; BC = 14,4 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 14,4 / 23 \u003d 0,63
8. Aluminiu pe carton:
AB = 36,6 cm; BC = 17,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 17,5 / 36,6 \u003d 0,48
9. Calca pe plastic:
AB = 27,1 cm; BC = 11,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 11,5 / 27,1 \u003d 0,43
10. Org. Sticla pe plastic:
AB = 26,4 cm; BC = 18,5 cm.
P \u003d BC / AC \u003d 18,5 / 26,4 \u003d 0,7
Pe baza calculelor și experimentelor mele, am ajuns la concluzia că P > C > K , care corespundea incontestabil bazei teoretice preluate din literatura de specialitate. Rezultatele calculelor mele nu au depășit datele tabelare, ci chiar le-au completat, drept urmare am extins valorile tabelare ale coeficienților de frecare a diferitelor materiale.
Literatură
1. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Fundamentele calculelor pentru frecare și uzură. M.: Mashinostroenie, 1977. 526 p.
Frolov, K. V. (ed.):Tribologia modernă: rezultate și perspective. Editura LKI, 2008
Elkin V.I. „Materiale didactice neobișnuite în fizică”. Jurnalul Bibliotecii „Fizica la școală”, nr. 16, 2000.
Înțelepciunea mileniilor. Enciclopedie. Moscova, Olma - presă, 2006.
Forța de frecare apare din mișcarea relativă a două corpuri în contact. Frecarea care are loc între suprafețele diferitelor corpuri se numește frecarea externă. Dacă frecarea are loc între părți ale aceluiași corp, atunci se numește frecare internă.
În funcție de natura mișcării relative a corpurilor solide aflate în contact, există frecare statică, frecare de alunecareși frecare de rulare.
Forța de frecare statică apare între corpuri solide fixe atunci când există forțe care acționează în direcția posibilei mișcări a corpului.
Forța de frecare statică este întotdeauna egală în valoare absolută și îndreptată opus forței paralele cu suprafața de contact și tinde să pună acest corp în mișcare. O creștere a acestei forțe externe aplicate corpului duce la o creștere a forței de frecare statică. Forța de frecare statică este direcționată în sens opus posibilă deplasare corp.
.
(2.14)
Forța de frecare statică împiedică pornirea mișcării. Dar există cazuri când forța de frecare statică determină mișcarea corpului. De exemplu, plimbarea unei persoane. La mers, forța de frecare statică care acționează asupra tălpii ne indică accelerația. Talpa nu alunecă înapoi și, prin urmare, frecarea dintre ea și drum este frecare în repaus.
Forțele de frecare de alunecare, care decurg din alunecarea unui corp pe altul, sunt îndreptate de-a lungul suprafeței de contact a corpurilor în direcția opusă mișcării. Pentru aceleași corpuri solide, forța de frecare de alunecare este aproximativ proporțională cu forța care presează un corp împotriva altuia, adică forța presiunii normale a unui corp pe altul, perpendicular pe suprafața de-a lungul căreia aceste corpuri se ating:
. (2.15)
Coeficientul de proporționalitate se numește coeficient de frecare de alunecare, în funcție de material și de starea suprafețelor de frecare. Când se rezolvă multe probleme practice, este posibil să se considere coeficientul de frecare ca o valoare constantă cu o precizie acceptabilă.
Forța de frecare care acționează asupra unui corp într-un lichid sau gaz F v.tr, precum și forța de frecare dintre suprafețele solide, este întotdeauna îndreptată opus direcției de mișcare a corpului și depinde de viteza corpului. La viteze suficient de mici, putem presupune că forța de frecare este proporțională cu viteza corpului:
iar la viteze mari - pătratul vitezei:
(2.17)
Coeficienții și depind de proprietățile lichidului sau gazului și de forma și dimensiunile corpului în mișcare.
Puteți reduce forța de frecare prin înlocuirea alunecării prin rulare: utilizarea roților, rolelor, rulmenților cu bile și cu role. Coeficientul de frecare la rulare de zece ori mai mic decât coeficientul de frecare de alunecare. Este esențial ca forța de frecare de rulare să fie invers proporțională cu raza corpului de rulare. În acest sens, pentru vehiculele concepute pentru a circula pe drumuri proaste (de exemplu, pentru vehiculele de teren), roțile au o rază mare. Forța de frecare de rulare F tr.k exprimat prin formula:
, (2.18)
Unde N- forța presiunii normale, R este raza corpului de rulare, μ - coeficient de frecare la rulare.
După cum sa menționat mai sus, forța de frecare de alunecare este întotdeauna îndreptată în direcția opusă vitezei de mișcare. Prin urmare, accelerația dată de forța de frecare
Prin forța de frecare numită forța care apare atunci când două corpuri intră în contact și împiedică mișcarea lor relativă. Se aplică pe corpuri de-a lungul suprafeței de contact. Frecarea care are loc între suprafețele diferitelor corpuri se numește frecare externă. Dacă frecarea are loc între părți ale aceluiași corp, atunci se numește frecare internă.
Frecarea dintre suprafețele a două corpuri solide aflate în contact în absența unui strat lichid sau gazos între ele se numește frecare uscată.
Frecarea dintre suprafața unui corp solid și mediul lichid sau gazos înconjurător în care corpul se mișcă se numește frecare vâscoasă.
Distingeți frecarea statică, frecarea de alunecare și frecarea de rulare.
Forța de frecare statică apare între corpuri solide fixe atunci când există forțe care acționează în direcția posibilei mișcări a corpului.
Forța de frecare statică este întotdeauna egală în valoare absolută și îndreptată opus forței paralele cu suprafața de contact și tinde să pună acest corp în mișcare. O creștere a acestei forțe externe aplicate corpului duce la o creștere a forței de frecare statică. Forța de frecare statică este îndreptată în direcția opusă posibilei deplasări a corpului (fig. 1 a, b). . Forța maximă de frecare statică este proporțională cu modulul forței normale de presiune produs de corpul pe suport:
Pentru că conform celei de-a treia legi a lui Newton. Aici este coeficientul de frecare static, care depinde de material și de starea suprafețelor de frecare. Forța de frecare statică împiedică pornirea mișcării. Dar există cazuri când forța de frecare statică determină mișcarea corpului. De exemplu, plimbarea unei persoane. La mers, forța de frecare statică care acționează asupra tălpii ne indică accelerația. Talpa nu alunecă înapoi și, prin urmare, frecarea dintre ea și drum este frecarea repausului.
Luați în considerare un bar culcat pe un cărucior (Fig. 2). O forță acționează asupra lui, tinde să-l mute din locul lui. În sens opus, forța de frecare statică acționează asupra barei din lateralul căruciorului. Același modul și forță de direcție opusă acționează asupra căruciorului din partea laterală a barei, ducând la deplasarea căruciorului spre dreapta. Forța de frecare statică joacă un rol fundamental în mișcarea mașinilor. Anvelopele roților motrice ale mașinilor par a fi respinse de pe drum, iar în absența alunecării, forța de împingere a mașinii este forța de frecare statică.
Forța de frecare de alunecare apare atunci când corpurile care se mișcă unul față de celălalt intră în contact și le îngreunează mișcarea. Forța de frecare de alunecare este direcționată de-a lungul suprafeței de contact în direcția opusă vitezei de mișcare. Forța de frecare de alunecare este direct proporțională cu forța presiunii normale:
unde este coeficientul de frecare de alunecare, în funcție de calitatea tratamentului de suprafață și de materialul acestora.
pentru aceste tel.
(puțin mai mult) - este mai dificil să mutați corpul de la locul său decât să continuați alunecarea începută).
Forța de frecare nu depinde de aria suprafețelor de contact ale corpurilor și de poziția acestora unul față de celălalt, precum și de modulul de viteză la viteze mici, ci depinde de direcția vitezei: când direcția de se schimbă viteza, se schimbă și direcția (Fig. 3). Acțiunea forțelor de frecare de alunecare este însoțită de transformarea energiei mecanice în energie internă.
Existența forțelor de frecare se explică prin manifestarea forțelor de interacțiune electromagnetică. Forțele de frecare statică sunt cauzate în principal de deformările elastice ale microproeminențelor de pe suprafața corpurilor de frecare, forțele de frecare de alunecare apar ca urmare a deformărilor plastice ale microproeminențelor și distrugerea parțială a acestora, precum și forțele de interacțiune intermoleculară în zona de contact.
Coeficientul de frecare este raportul dintre forța de frecare F și reacția T direcționată de-a lungul normalei la suprafața de contact care apare atunci când se aplică o sarcină care apasă un corp împotriva altuia: f = F / T.
Coeficientul de frecare este o caracteristică utilizată la efectuarea calculelor tehnice care caracterizează interacțiunea de frecare a două corpuri. În funcție de tipul de mișcare a unui corp asupra altuia, există: coeficientul de frecare la forfecare - alunecare și coeficientul de frecare la rulare. La rândul său, la alunecare, în funcție de mărimea forței tangențiale, se disting coeficientul de frecare de alunecare incompletă, coeficientul de frecare statică și coeficientul de frecare de alunecare. Toți acești coeficienți de frecare pot varia într-o gamă largă în funcție de rugozitatea și ondulația suprafețelor, de natura peliculelor care acoperă suprafețele. Pentru un contact prelungit, se schimbă puțin cu o schimbare a sarcinii. În funcție de valoarea coeficientului de frecare de alunecare, perechile de frecare sunt împărțite în 2 grupe: materiale de frecare cu un coeficient de frecare mare - de obicei 0,3-0,35, rar 0,5-0,6 și materiale anti-frecare, având un coeficient de frecare fără lubrifiere de 0. , 15-0,12, cu ungere la limită 0,1-0,05. Rezistența la rulare liberă a unui corp solid (de exemplu, roți) se caracterizează prin coeficientul de rezistență la rulare fk = T rd / Ik [cm], unde T este componenta normală a reacției roții la suport; rd - raza dinamică de rulare; Ik este sarcina normală pe roată. Dacă asupra roții acționează cuplurile de antrenare sau de frânare, atunci coeficientul de frecare y al roții cu suprafața drumului este determinat de egalitatea: y = Tx/Ik, unde Tx este forța de frecare de alunecare incompletă care apare între roata de rulare și drum. Coeficienții fk și y depind în esență de natura corpurilor de frecare, de natura peliculelor care le acoperă și de viteza de rulare. De obicei pentru metale (oțel pe oțel) fk = 0,001-0,002 cm Când o mașină se deplasează cu o viteză de 80 km/h, coeficientul de frecare al roților pe asfalt este fk = 0,02 cm și crește brusc odată cu creșterea vitezei. Coeficientul de aderență y pe asfalt uscat ajunge la 0,8 pentru roțile de automobile, iar în prezența unei pelicule de apă scade la 0,2-0,1.
Coeficientul de frecare depinde de tipul de sol și de viteza de mișcare relativă a suprafețelor de frecare. Coeficientul de frecare statică (Tabelul 8.1) este oarecum mai mare decât coeficientul de frecare în momentul în care vasul primește mișcare atunci când plutește. Tabel 8.1 Valori ale coeficientului de frecare statică pentru diverse soluri Natura solului Coeficient Argilă lichidă (nămol) Argilă Argilă cu nisip Nisip fin Nisip grosier Pietriș Placă de piatră Pietruc 0,20-0,30 0,30-0,45 0,30-0,40 0,40-0,40-5 0,40-0,40-5 0,50 0,45-0,50 0,35-0,50 0,40-0,60 În timpul impamantarii, de regula, carena navei se lasa in pamant. Solul începe să exercite presiune pe părțile laterale ale navei. Această presiune este motivul rezistenței suplimentare la tragerea navei la eșoc. Cantitatea de tasare depinde de tipul de sol, de forța de presiune a carenei, de timpul petrecut la eșcare. Când nava se scufundă, particulele de sol se lipesc de cocă, creând un efect de aspirație. Forța de aspirație este mai mare, cu atât vâscozitatea solului este mai mare. Cea mai mare aspirație se observă în argila vâscoasă. Pe solurile stâncoase, corpul poate avea găuri în care pătrund pietre și chiar pietre. De asemenea, previne plutirea vasului. Natura forțelor care acționează asupra unei nave eșuate este variată, dar este posibil să se țină cont de ele. Cu toate acestea, acest lucru necesită calcule greoaie bazate pe un studiu cuprinzător și amănunțit al stării navei, care în sine este un proces laborios. În practică, ele folosesc calcule simplificate conform formulei (8.1) și țin cont de caracteristicile acțiunii forțelor. Acest lucru este suficient pentru a lua o decizie fundamentală cu privire la posibilitatea de a pluti nava cu propriile sale mijloace și pentru a evalua natura și domeniul de aplicare a lucrărilor de urgență.
forța de frecare de alunecare- forța care se formează între corpurile în contact în timpul mișcării lor relative.
S-a stabilit experimental că forța de frecare depinde de forța de presiune a corpurilor unul asupra celuilalt (forță reacție suport), de materialele suprafețelor de frecare, de viteza mișcării relative. Deoarece niciun corp nu este perfect nivelat, forța de frecare nu depinde de aria de contact, iar aria de contact reală este mult mai mică decât cea observată; in plus, prin marirea suprafetei, reducem presiunea specifica a corpurilor unul asupra celuilalt.
Se numește valoarea care caracterizează suprafețele de frecare coeficient de frecare, și este cel mai adesea notat cu litera latină k (\displaystyle k) sau literă greacă µ (\displaystyle \mu ). Depinde de natura și calitatea prelucrării suprafețelor de frecare. În plus, coeficientul de frecare depinde de viteză. Cu toate acestea, cel mai adesea această dependență este slab exprimată și, dacă nu este necesară o precizie ridicată a măsurătorilor, atunci k (\displaystyle k) poate fi considerat permanent. Ca o primă aproximare, mărimea forței de frecare de alunecare poate fi calculată prin formula:
F = kN (\displaystyle F=kN)
K (\displaystyle k)- coeficient frecare alunecare,
N (\displaystyle N)- puterea reacţiei normale a suportului.
Forțele de frecare se numesc interacțiuni tangențiale între corpurile în contact, care decurg din mișcarea lor relativă.
Experimentele cu mișcarea diferitelor corpuri în contact (solid pe solid, solid într-un lichid sau gaz, lichid într-un gaz etc.) cu stări diferite ale suprafețelor de contact arată că forțele de frecare apar în timpul mișcării relative a corpurilor în contact și sunt îndreptată împotriva vectorului viteză relativă tangențial la suprafata de contact. În acest caz, există întotdeauna o transformare într-o măsură mai mare sau mai mică. mișcare mecanicăîn alte forme de mișcare a materiei - cel mai adesea într-o formă termică de mișcare, iar corpurile care interacționează sunt încălzite.
YouTube enciclopedic
1 / 3
✪ Lecția 67
✪ Forța de frecare
✪ Statică. Frecare de alunecare. curs (28)
Subtitrări
Tipuri de frecare de alunecare
Dacă nu există un strat lichid sau gazos (lubrifiant) între corpuri, atunci se numește o astfel de frecare uscat. În caz contrar, frecarea se numește „lichid”. O trăsătură distinctivă caracteristică a frecării uscate este prezența frecării în repaus.
Conform fizicii interacțiunii, frecarea de alunecare este de obicei împărțită în:
- Uscați când interacționați corpuri solide nu sunt separate de straturi/lubrifianți suplimentare - un caz foarte rar în practică. caracteristică trăsătură distinctivă frecare uscată - prezența unei forțe de frecare statice semnificative.
- Uscați cu lubrifiere uscată (pulbere de grafit)
- Lichid, în timpul interacțiunii corpurilor separate de un strat de lichid sau gaz (lubrifiant) de diferite grosimi - de regulă, apare în timpul frecării de rulare, când corpurile solide sunt scufundate într-un lichid;
- Mixt, când zona de contact conține zone de frecare uscată și lichidă;
- Limită, când zona de contact poate conține straturi și zone natură diferită(filme de oxid, lichid etc.) - cel mai frecvent caz de frecare prin alunecare.
De asemenea, este posibil să se clasifice frecarea după aria sa. Forțele de frecare care decurg din mișcarea relativă a diferitelor corpuri se numesc forțe extern frecare. Forțele de frecare apar și în timpul mișcării relative a părților aceluiași corp. Frecarea dintre straturile aceluiasi corp se numeste intern frecare.
Măsurare
Datorită complexității proceselor fizico-chimice care au loc în zona de interacțiune de frecare, procesele de frecare nu pot fi descrise în principiu folosind metodele mecanicii clasice. Prin urmare, nu există o formulă exactă pentru coeficientul de frecare. Evaluarea sa se bazează pe date empirice: întrucât, conform primei legi a lui Newton, corpul se mișcă uniform și rectiliniu, atunci când o forță externă echilibrează forța de frecare care apare în timpul mișcării, atunci pentru a măsura forța de frecare care acționează asupra corpului, este suficient pentru a măsura forța care trebuie aplicată corpului pentru ca acesta să se miște fără accelerație.
