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 Fтр между элементами по формуле: Fтр=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 Fтр между элементами определяют по формуле
Fтр=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
