Исследование и измерение коэффициента трения сыпучих веществ

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №12 с углубленным изучением отдельных предметов»

Исследование и измерение  коэффициента трения сыпучих веществ

Исследовательская работа

Выполнена ученицей

10 класса МБОУ «СОШ №12 с УИОП»

г. Старый Оскол, Белгородской области

Никитенко Вероникой Андреевной

Научный руководитель:

учитель физики

Брызгунова Ирина Николаевна

учитель биологии

Сотникова Валентина Анатольевна

Старый Оскол, 2017 г.

Оглавление:

1.      Введение                                                                                    3

2.      Обзор литературы                                                                     4

2.1.Трение, какое оно?

 2.2. Методы борьбы с трением                                                 5

3.      Результаты исследования                                                      

Эксперимент №1 «Наклонная плоскость»                              6

Эксперимент №2 «Насыпь»                                                      7

Эксперимент №3 «Кручение»                                                   9

4.      Вывод                                                                                          11

5.      Заключение                                                                                 12

6.      Литература                                                                                  13

 

Введение

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

  Мне пришла в голову одна мысль: «А что, если измерить коэффициент трения какого-нибудь необычного вещества, например, манной крупы или сахарного песка, ведь коэффициент трения обычных тел измерить не составляет особого труда, а как же быть с этими веществами?».

Актуальность:

  Трение и наблюдения за ним является неотъемлемой частью нашей жизни. Существуют процессы, протекающие в нашем мире, которые зависят от трения. Мы не можем жить и не знать, хотя бы элементарных явлений в природе и науке. А, следовательно, физика является той наукой, которая актуальна, не стареющая. Тема моей работы поможет ученикам понять и узнать самые обычные процессы в окружающем нас мире.

Предмет исследования: трение.

Объект исследования:  коэффициент трения.                                                                                                                                   

Цель: рассмотреть с помощью опытов коэффициент трения сыпучих веществ.

Задачи:

1.      Изучить теорию трения;

2.      Теорию подтвердить практическим экспериментом;

В ходе работы был проведен подбор анализ и систематизация литературных источников:

1.      Трофимова Т.И. «Физика от А до Я». –М.: «Дрофа» 2007 г. стр. 43- 44

2.      Старовиков М.И.; Низамов И.М. «Задачи по механики и методы их решения» -М.: Бийск: научно- издательский центр Бийского государственного педагогического института, 1998 г. стр. 41-75

Методы: практический, теоретический, сравнение.

Новизна исследования состоит в том, что в ходе эксперимента исследовали коэффициент сыпучих веществ (манная крупа, сахарный песок, зерна горчицы, сухари).

Теоретическая значимость состоит в том, чтобы рассмотреть теоретические аспекты по теме коэффициента трения.

Практическая значимость состоит в непосредственном измерении коэффициента трения сыпучих веществ: манная крупа, сахарный песок, зерна горчицы, сухари.

Место и сроки проведения работы: с сентября 2016-ноябрь 2016 год в МБОУ «СОШ №12 с УИОП»

2.1.Трение, какое оно?

Тренье так просто с Земли не убрать.
Оно, было, есть и будет всегда.
Да здравствует трение! Тренью - ура!

Артемов А.

      Силами трения называют силы, возникающие при соприкосновении поверхностей двух тел или частей одного тела и препятствующие их взаимному перемещению. Они приложены к телам вдоль поверхности соприкосновения и всегда направлены в сторону, противоположную относительной скорости движения.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

 

Если тело скользит по какой-либо поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения.

_,

где N — сила реакции опоры, a μ — коэффициент трения скольжения. [1]

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно движению тела. При изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.

Сила трения начинает действовать на тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Если внешняя сила F меньше произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято говорить, мешает сила трения покоя. Тело начнет движение только тогда, когда внешняя сила F превысит максимальное значение, которое может иметь сила трения покоя 

Трение покоя – сила трения, препятствующая возникновению движению одного тела по поверхности другого. Силы трения имеют электромагнитную природу.[1]

Коэффициент μ зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от веса тела. Коэффициент трения определяется опытным путем.

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. [1]

2.2. Методы борьбы с трением

Значение	трения
полезное	вредное
1. Обеспечивает возможность движения.	1. Износ трущихся поверхностей.
2. Обеспечивает возможность остановки.	2. Нагревание трущихся поверхностей.
3. Передача движения.	3. Уменьшение скорости движения.
4. Способствует устойчивости.

Есть разные способы борьбы с трением:

·         использование смазки, при наличии смазки соприкасаются не сами поверхности деталей, а её соседние слои. Трение между слоями жидкостей слабее, чем между твёрдыми поверхностями.

·         использование шариковых и роликовых подшипников,  внутреннее кольцо таких подшипников насаживают на вал какой-либо машины или станка. Наружное кольцо закрепляют в корпусе машины. Когда машину или станок включают и вал начинает вращаться, то вместе с внутренним кольцом он начинает не скользить, а катиться на шариках или роликах, находящихся между кольцами подшипниками. Трение же качения существенно меньше трения скольжения. Поэтому вращающиеся части механизмов при наличии подшипников изнашиваются меньше.

·         применение воздушных подушек, уменьшение трения при этом происходит за счёт того, что между машиной и опорой создаётся область воздуха с повышенным давлением, препятствующая их непосредственному контакту. Подобные устройства применяются в судах на воздушных подушках, экранопланах и других аппаратах

Эксперимент №1

«Наклонная плоскость»

Цель: определить коэффициент трения.

Оборудование: наклонная плоскость, клей, сахарный песок, манная крупа, зерна горчицы,  сухари, измерительная лента.

Ход работы:

1.      На наклонную плоскость нанесем тонкий слой клея;

2.      Нанесем на слой клея тонкий равномерный слой некого вещества для того, чтобы создалось умеренное сцепление;

3.      На этот слой нанесем еще один, но только толстый слой того же вещества;

4.      Будем увеличивать угол наклона плоскости с поверхностью до тех пор, пока вещество не начнет ссыпаться;

5.      Измерим с помощью измерительной ленты высоту h и длину l;

6.      Измерительные данные занесем в таблицу.

№	Название вещества	Высота h, м	Длина l, м	Длина, м	Коэффициент трения μ
1	Сахарный песок	0,25	0,195	0.315	1,274	1,282
2	Манная крупа	0,24	0,215	0.315	1,117	1,116
3	Зерна горчицы	0,225	0,225	0.315	1	1
4	Сухари	0,25	0,2	0.315	1,234	1,25

 Обработка полученных результатов

ОХ: mgSinα - =0;

ОУ: N-mgCosα=0;

=mgSinα;

N=mgCosα;

=μN;

mgSinα=μmgCosα;

μ= = ;

=tgα;                tgα=;

	μ =;		μ =;

 

                                                     = ;     = ;

Название вещества	Решение
Сахарный песок	Sinα == 0,79;                       Cosα == 0,62; =   = 1,274;
Манная крупа	Sinα == 0,76;                       Cosα == 0,68; =   = 1,117;
Зерна горчицы	Sinα == 0,71;                       Cosα == 0,71; =   = 1;
Сухари	Sinα == 0,79;                       Cosα == 0,64; =   = 1,234;

Название вещества	Решение
Сахарный песок	μ = = 1,282;
Манная крупа	μ = = 1,116;
Зерна горчицы	μ = = 1;
Сухари	μ = = 1,25;

Эксперимент №2

«Насыпь»

Цель: определить коэффициент трения.

Оборудование: воронка, измерительная лента, сахарный песок, манная крупа, зерна горчицы, сухари.

Ход работы:

1.      На ровную поверхность насыпаем струю вещества из воронки, сделанную из бумаги;

2.      При насыпи вещества в определенный момент образуется лавина из резкого возросшего количества ссыпающего вещества, после этого прекратили насыпание;

3.      Измерили высоту и радиус, получившего кургана;

4.      Измерительные данные занесем в таблицу.

№	Название вещества	Высота h, м	Радиус R, м	Сторона наклона l, м	Коэффициент трения μ
1	Сахарный песок	0,018	0,028	0,03	0,7	0,6
2	Манная крупа	0,02	0,03	0,03	0,7	0,7
3	Зерна горчицы	0,012	0,025	0,02	0,5	0,5
4	Сухари	0,015	0,02	0,02	0,7	0,8

Обработка полученных результатов

ОХ: mgSinα - =0;

ОУ: N-mgCosα=0;

=mgSinα;

N=mgCosα;

=μN;

mgSinα=μmgCosα;

h

l

μ= = ;

=tgα;                tgα=;

	μ =;		μ =;

 

 = ;     = ;

	R

 

Название вещества	Решение
Сахарный песок	Sinα == 0,6;                       Cosα == 0,9; =   = 0,7;
Манная крупа	Sinα == 0,7;                       Cosα == 1; =   = 0,7;
Зерна горчицы	Sinα == 0,6;                       Cosα == 1,3; =   = 0,5;
Сухари	Sinα == 0,7;                       Cosα == 1; =   = 0,7;

Название вещества	Решение
Сахарный песок	μ = = 0,6;
Манная крупа	μ = = 0,7;
Зерна горчицы	μ = = 0,5;
Сухари	μ = = 0,8;

Коэффициент сыпучести

    Через внешний коэффициент трения можно посчитать коэффициент сыпучести вещества, чем выше коэффициент сыпучести, тем выше курган. Коэффициент сыпучести численно равен углу естественного откоса.

    Угол естественного откоса — угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внутреннего трения».

    Частицы материала, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние критического (предельного) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости зерен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала.

По углам естественного откоса определяются максимально допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей. угол естественного откоса из различных материалов

Материал (условия)	Угол естественного откоса (градусы)
Глина сухая	35-40°
Гравий (насыпной)	30-45°
Гравий (натуральный с песком)	25-30°
Кора (деревянные отходы)	45°
Мука	45°
Пепел	40°
Песок сухой	15-30°
Песок влажный	45°
Песок сырок	34°
Пшеница сухая	28°

Эксперимент №3

«Кручение»

Цель: определить коэффициент трения.

Оборудование: установка для кручения, электронный секундомер, транспортир, сахарный песок, манная крупа, сухари.

Ход работы:

1.      На диск установки для кручения нанесли слой клея;

2.      Нанесем на слой клея тонкий равномерный слой некого вещества для того, чтобы создалось умеренное сцепление;

3.      На этот слой нанесем еще один, но только толстый слой того же вещества;

4.      Привели диск во вращение; вращаем, диск до того момента, пока частицы вещества начнут соскальзывать;

5.      В течения вращения измерили данные и занесли в таблицу.

№	Название вещества	Радиус R, м	Частота обращения ν, Гц	Коэффициент трения μ
1	Сахарный песок	0,3	0,98	1,159
2	Манная крупа	0,3	1,02	1,256
3	Зерна горчицы	0,3	0,88	0,934
4	Сухари	0,3	0,95	1,089

Обработка полученных результатов

ОХ:  = m;

ОУ: N-mg=0;  N=mg

= R;

 = mR;

 = μN;

μmg = mR;

μ =;        μ = ;

ω = 2;

μ = ;

	μ =;		μ =;

 

Название вещества	Решение
Сахарный песок	μ = = 1,159;
Манная крупа	μ = = 1,256;
Зерна горчицы	μ = = 0,934;
Сухари	μ = = 1,089;

Вывод

В ходе работы мною было выяснено: коэффициенты трения у разных сыпучих веществ различаются, несмотря на разные методики экспериментов.

В каждом из проведенных опытов необходимо учитывать погрешность. В эксперименте с наклонной плоскостью погрешность меньше всего, а в эксперименте «Насыпь» дела обстоят хуже. Для этого эксперимента (чтобы получить точные данные) необходимо, чтобы насыпающая струя была очень тонкой, и вещество попадало точно в отмеченный центр, а так же нужно фиксировать данные в определённый момент времени. Данный опыт сложный по своему эксперименту (трудно точно определить высоту и радиус круга, образованного насыпью, т.к. в этом случае важную роль играет неравномерный разброс частиц вещества и малая прочность кургана).

Со своей работой я выступала на уроках в 7 классе.

Вглядываясь в глаза ребят,  было понятно, что об этом явлении им известно, но они не предполагали, что трение есть и у сыпучих веществ.

Заключение

    Каждый из нас знает и представляет, что такое трение и где оно используется, например, при ходьбе человека, движение транспорта и т.д. Но никто никогда не задумывался об этом явлении с точки зрения физики, есть ли это у сыпучих веществ. Подобрав теоретический материал, я решила проверить простые опыты на практике и это мне удалось.

       Данную работу можно использовать на уроках физики и знакомить учеников с обычными процессами в окружающем нас мире, но сложными по своему устройству.

Литература

1.      Трофимова Т.И. «Физика от А до Я». –М.: «Дрофа» 2007 г. стр. 43- 44

2.      Старовиков М.И.; Низамов И.М. «Задачи по механики и методы их решения» -М.: Бийск: научно- издательский центр Бийского государственного педагогического института, 1998 г. стр. 41-75

Источники информации

1.      http://images.yandex.ru/yandsearch?text=%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BA%D0%B0%D1%85&stype=image&noreask=1&lr=197.

2.      http://images.yandex.ru/yandsearch?text=%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5++%D0%B2+%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BA%D0%B0%D1%85&rpt=image