Способ определения силы трения

Способ определения силы трения и коэффициента трения

Владельцы патента RU 2408869:

Способ определения силы трения и коэффициента трения применятся при исследовании трибологических свойств свитых изделий, например кабеля, троса, каната и тому подобных изделий. Технический результат заключается в повышении точности исследования свитых изделий за счет измерения параметров трения между элементами внутри этих изделий. Способ определения силы трения и коэффициента трения заключается в том, что один конец элемента свитого изделия соединяют нитью с грузом, перекинутым через блок. Концы остальных элементов свитого изделия со стороны нити устанавливают неподвижно. Второй конец исследуемого элемента вместе с подвешенным грузом вытягивают из свитого изделия. Измеряют величину приложенного усилия. По величине приложенного усилия Q₂ с учетом веса груза Q₁ определяют силу трения F_тр между элементами по формуле: F_тр=Q₂-Q₁. Коэффициент трения f определяют исходя из шага свивки изделия H, длины исследуемого элемента l, величины приложенного усилия Q₂, веса груза Q₁ по формуле: . 1 ил.

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно — к области исследования их трибологических свойств, и может быть использовано преимущественно для количественного определения силы и коэффициента трения между элементами внутри свитых, т.е. скрученных, сплетенных, спиралеобразных и т.п. изделий, например кабелей, канатов, тросов, веревок и других подобных изделий.

Известен способ определения коэффициента трения, заключающийся в перемещении образца по исследуемой горизонтальной поверхности при помощи груза, подвешенного на нити и перекинутого через блок, коэффициент трения определяется как отношение перемещающей образец силы к нормальному давлению, причем массу груза необходимо подбирать такой, чтобы образец двигался равномерно [Сабликов М.В. Сельскохозяйственные машины. Часть II / М.В.Сабликов. — М.: Колос, 1968, с.7].

Недостатком данного способа является низкая точность и трудоемкость и отсутствие возможности определения параметров трения для скрученных, свитых и т.п. между собой элементов.

Наиболее близким решением предлагаемому способу определения коэффициента трения является способ по патенту РФ на изобретение № 2300755, заключающийся в перемещении образца по исследуемой метровой горизонтальной поверхности при помощи груза, подвешенного на нити и перекинутого через блок, при этом фиксируют время перемещения образца, а коэффициент трения определяют по формуле

,

где M — масса груза, кг;

m — масса образца, кг;

S — путь, пройденный образцом, м;

t — время перемещения образца на пути S, с;

g — ускорение свободного падения.

Масса груза должна быть больше массы образца на 10-20%.

Недостатком данного способа является низкая точность, поскольку величина коэффициента трения зависит от времени перемещения, а на метровом отрезке время перемещения образца имеет малые значения. Кроме этого способ ограничен областью применения. Этим способом невозможно определение коэффициентов трения скрученных между собой элементов, например элементов кабелей, канатов, тросов и т.п.

Задачей настоящего изобретения является определение силы трения и коэффициента трения элементов свитых изделий и тем самым расширение области исследования подобных изделий при натурных испытаниях.

Технический результат заключается в повышении точности исследования свитых изделий за счет измерения параметров трения между элементами внутри изделий.

Технический результат достигается следующим образом. Способ определения силы трения и коэффициента трения согласно изобретению имеет общее с прототипом то, что он включает горизонтальное перемещение образца, соединенного с грузом, подвешенным на нити и перекинутым через блок. В отличие от прототипа по заявляемому способу горизонтальному перемещению подвергают элемент свитого изделия, для чего один конец его соединяют нитью с грузом, а другой конец вытягивают из свитого изделия, одновременно измеряя величину приложенного усилия, при этом концы остальных элементов свитого изделия со стороны нити устанавливают неподвижно. Силу трения между элементами определяют по формуле:

где Q₂ — величина приложенного усилия;

А коэффициент трения f определяют по формуле:

,

где H — шаг свивки изделия;

l — длина исследуемого элемента;

Q₂ — величина приложенного усилия;

Отдельные элементы внутри свитых изделий, например пряди внутри каната, жилы внутри кабеля и т.д., двигаются и трутся друг о друга в процессе работы, что может привести к их износу, обрыву, т.е. влияет на прочность, надежность самих изделий. При этом трение между элементами зависит от характера свивки и касания в процессе работы (точечного, линейного). Например, при циклических изгибах кабеля во время работы происходит перемещение его элементов относительно друг друга и непредсказуемые касания (трение друг о друга). В технике не обнаружено способов, позволяющих исследовать трибологические свойства отдельных элементов, расположенных непосредственно внутри свитых изделий.

Испытания в основном проводятся на прочность или на определение трибологических характеристик отдельно взятых элементов или изделий в целом. См., например, патент РФ № 2289119, а.с. СССР №1821689, ГОСТ 15634.2-70 «Метод испытания механической прочности изоляции на истирание, который предусматривает испытания проводов круглого и прямоугольного сечений со всеми видами изоляции». Известно из уровня техники устройство по патенту РФ № 2025714, которое позволяет определять коэффициент трения волокон относительно друг друга внутри структуры текстильного материала. Но структура текстильного материала совершенно иная, чем у свитых изделий. В текстильном материале волокна расположены перпендикулярно друг другу, и такой способ не применим для свитых изделий. Кроме этого следует отметить, что перемещение образца в прототипе происходит под действием силы тяжести самого груза, а в предлагаемом способе перемещение образца, причем вместе с грузом, происходит под действием приложенного усилия. Способ отражает реальную картину деформации свитых изделий под действием внешних сил.

Предложенный способ прост, но обладает новизной пути решения: предложен новый путь исследования надежности и измерения параметров трения между элементами внутри изделий.

Вышеуказанное позволяет утверждать, что заявляемый способ явным образом не следует из уровня техники и соответствует критерию «изобретательский уровень».

На чертеже изображена схема устройства для осуществления способа для определения коэффициента трения.

Устройство включает силоизмеритель с растягивающей установкой 1, соединенный с одним концом испытуемого элемента 2 изделия 3. Другой конец элемента 2 изделия 3 соединен с грузом 5 нитью 4, которая перекинута через блок 6. Со стороны нити концы остальных элементов изделия, например жилы, и оболочку кабеля устанавливают неподвижно. В качестве растягивающей установки может служить любое известное устройство для испытания материалов на растяжение.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Для осуществления способа выбирают свитое изделие и оставляют концы свободными. Один конец элемента 2 устанавливают в подвижных захватах растягивающей установки 1, другой его конец соединяют с нитью 4. Со стороны нити 4 другие элементы изделия 3 соединяют с неподвижным захватом. При создании определенного усилия Q₂ элемент 2 изделия 3 начнет перемещаться вместе с грузом 5. Это усилие фиксируется с помощью силоизмерителя 1.

Силу трения между элементами определяют по формуле:

где Q₂ — величина приложенного усилия;

А коэффициент трения f определяют по формуле:

,

где l — длина исследуемого элемента;

H — шаг свивки изделия.

Реализация способа не ограничена описанным примером. Возможно измерение параметров трения перемещаемых вместе с грузом отдельных элементов или самих изделий в целом, относительно неподвижных элементов или изделий.

Способ определения силы трения и коэффициента трения, включающий горизонтальное перемещение образца, соединенного с грузом, подвешенным на нити и перекинутым через блок, отличающийся тем, что горизонтальному перемещению подвергают элемент свитого изделия, для чего один конец его соединяют нитью с грузом, а другой конец вытягивают из свитого изделия, одновременно измеряя величину приложенного усилия, при этом концы остальных элементов свитого изделия со стороны нити устанавливают неподвижно, после чего силу трения F_тр между элементами определяют по формуле
F_тр=Q₂-Q₁,
где Q₂ — величина приложенного усилия;
Q₁ — вес груза,
а коэффициент трения f определяют по формуле
,
где H — шаг свивки изделия;
l — длина исследуемого элемента;
Q₂ — величина приложенного усилия,
Q₁ — вес груза.

Источник

Сила трения

О чем эта статья:

Сила трения: величина, направление

С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.

Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.

Чтобы перевести трение на язык математики, вводится понятие сила трения.

Сила трения — это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.

Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.

Возникает сила трения по двум причинам:

• Различные шероховатости, царапины и прочие «несовершенства» поверхностей. Эти дефекты задевают друг друга при соприкосновении и создается сила, тормозящая движение.
• Когда контактирующие поверхности практически гладкие (до идеала довести невозможно, но стремиться к нему — значит устремлять силу трения к нулю), то расстояние между ними становится минимальным.
  В этом случае возникает взаимное притяжение молекул вещества этих поверхностей. Притяжение обусловлено взаимодействием между электрическими зарядами атомов. В связи с этим можно часто услышать формулировку «Сила трения — сила электромагнитной природы»

Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:

В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.

Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».

Сухое и вязкое трение

Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.

А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.

Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.

Трение покоя

Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.

В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.

Сила трения покоя

Fтр = Fтяги

Fтр — сила трения скольжения [Н]

Fтяги — сила тяги[Н]

Задача

Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.

Решение:

Тело покоится, значит

Fтр = Fтяги = 4 Н

Ответ: сила трения равна 4 Н.

Трение скольжения

А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = μN

Fтр — сила трения скольжения [Н]

μ — коэффициент трения [-]

N — сила реакции опоры [Н]

Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже никуда.

Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.

Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.

Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.

Задача 1

Масса котика, лежащего на столе, составляет 5кг. Коэффициент трения µ=0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5Н. Какая сила трения при этом возникает?

Решение:

По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:

Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5Н.

Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость – 20 Н.

Решение:

В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:

Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.

Выражаем коэффициент трения:

μ = Fтр/Fд = 5/20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки массой 5 килограмм скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.

Решение:

В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:

Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Выразим коэффициент трения:

μ = Fтр/mg = 20/5*10 = 0,4

Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:

Ответ: сила трения будет равна 10 Н.

Задача 4

Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.

Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.

Источник