- •Фгбоу впо «калининградский государственный технический университет»
- •1. Введение
- •2. Сцепление и сопротивление при качении тел по твёрдым поверхностям
- •3. Уравнения динамики и энергетического баланса при качении тел по наклонным поверхностям
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Вопросы для проверки (примерные)
- •6. Литература
- •Приложение классификация катящихся тел в зависимости от способа качения
Фгбоу впо «калининградский государственный технический университет»
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ШАРОВ
Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «Механика» для студентов всех форм обучения по всем специальностям
Калининград
2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
Лист
1. ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 3
2. СЦЕПЛЕНИЕ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ КАЧЕНИИ ТЕЛ
ПО ТВЁРДЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ………………………………………… 4 3.УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА
ПРИ КАЧЕНИИ ТЕЛ ПО НАКЛОННЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ…………… 8
3.1.Уравнения динамики и расчёты коэффициента
сопротивления качению………………………………………………….……. 8
3.2.Уравнения энергетического баланса, расчёты и методика
определения коэффициента сопротивления качению………………………. 10
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ…………………………………… 13 4.1.Экспериментальная часть……………………………………………..….. 13
4.1.1. Экспериментальные задания ………………………………………….. 13
Задание №1. Измерение коэффициента сопротивления качению
для стальных шариков ………………………………………………………… 14
Задание №2. Исследование столкновения стальных шариков
при качении………………………………………………….………………… 16
4.1.2. Измерения и обработка результатов………………………………….. 19
5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ………………………………………….….. 20
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………..…… 21
ПРИЛОЖЕНИЕ. Классификация катящихся тел в зависимости от
способа качения………………………………………………………..……… 22
Цель работы:
1. Изучение законов динамики при качении тел по наклонным поверхностям;
2. Изучение энергетического баланса при качении тел по наклонным поверхностям;
3. Измерение коэффициента сопротивления качению для стальных шариков;
4. Исследование столкновения стальных шариков при качении.
Используемый реквизит: стальные шарики.
1. Введение
1.1. Качение (катание) – это разновидность плоского либо совокупность поступательного и сферического движений твёрдого тела. Катиться могут только тела с радиальной симметрией, имеющие центр симметрии (шары) или ось симметрии (цилиндры, обручи, а также тела специальных форм: колёса, катушки и т. п.).
Обычно тела катятся по твёрдым (горизонтальным либо наклонным) поверхностям. При этом в точках касания между телом и опорной поверхностью должна действовать сила сцепления Fсц. При полном сцеплении точки тела, находящиеся в контакте с неподвижной опорной поверхностью, на мгновение теряют свои скорости. Такие точки называются мгновенными центрами скоростей (м. ц. с.) и через них проходит мгновенная ось вращения, относительно которой катящееся тело совершает поворот. Силы сцепления Fсц, приложенные к неподвижным точкам – м. ц. с., работу не выполняют. Следовательно, действие таких сил не изменяет механическую энергию катящихся тел.
Качение тел при наличии мгновенной оси называется нормальным качением или качением без скольжения. Если сцепление между телом и опорной поверхностью недостаточное, тогда в точках контакта происходит проскальзывание, и качение называется качением со скольжением. При этом действует сила трения скольжения Fтр, момент которой уменьшает угловую скорость тела. Силы трения Fтр, относятся к типу непотенциальных (диссипативных) сил, работа которых уменьшает механическую энергию катящихся тел посредством преобразования в тепловую энергию трущихся поверхностей. В результате – происходит нагревание опорной поверхности и движущегося тела.
1.2. Системы сил, приложенных к катящимся телам, и системы уравнений динамики, описывающих такое движение, имеют специфические особенности в зависимости: от типа движения при качении, от свойств опорных поверхностей, а также от способа качения тел. Эти вопросы изучаются в специальных курсах и имеют важное значение ввиду широкого применения качения тел в разнообразных технических устройствах. Например, практически все виды наземного транспорта (за исключением саней) используют катящиеся колёса, что позволяет снизить затраты энергии при перемещении грузов с достаточно высокими скоростями.
Снижение потерь энергии, т. е. повышение к. п. д. транспорта, объясняется тем, что сопротивление при качении в десятки и в сотни раз меньше, чем при скольжении тел по твёрдым поверхностям в условиях сухого трения.
1.3. В следующих разделах дано краткое описание физических явлений при качении тел по твёрдым поверхностям. Получены формулы для определения коэффициента сопротивления качению с использованием эксперимента.
Приводятся методики простых опытов по изучению сопротивления и столкновения при качении стальных шариков.