МКУ «Закаменское
районное управление образования»
МАОУ «Ехэ-Цакирская
средняя общеобразовательная школа»
Исследование и
измерение
внешнего
коэффициента трения сыпучих веществ
Автор работы:
Цырендоржиева
Александра,
ученица 10 класса.
Руководитель:
Соктоев Дамдин
Цырендоржиевич,
учитель физики
с.Ехэ-Цакир, 2015г.
Содержание работы
1.
Введение
|
3
|
Актуальность
|
3
|
Предмет исследования
|
3
|
Объект исследования
|
3
|
Цель
|
3
|
Задачи
|
3
|
Литературные источники
|
3
|
Методы
|
3
|
Новизна исследования
|
3
|
Теоретическая значимость
|
4
|
Практическая значимость
|
4
|
Место и сроки проведения работы
|
4
|
2.
Результаты исследования
|
5
|
Трение,
какое оно?
|
5
|
Эксперимент
№1 «Наклонная плоскость»
|
7
|
Эксперимент
№2 «Насыпь»
|
10
|
Коэффициент
сыпучести
|
13
|
Результаты
погрешности
|
15
|
3.
Заключение
|
18
|
4.
Литература
|
19
|
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 внешний коэффициент трения какого-нибудь
необычного вещества, например, манной крупы, песка 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 понять и
узнать самые обычные процессы в окружающем нас мире.
Предмет
исследования: трение.
Объект
исследования: внешний коэффициент трения.
Цель:
рассмотреть с помощью опытов внешний
коэффициент трения сыпучих веществ (песок).
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 внешний коэффициент сыпучих веществ.
Теоретическая
значимость состоит в том, чтобы рассмотреть
теоретические аспекты по теме коэффициента трения.
Практическая
значимость состоит в непосредственном измерении внешнего
коэффициента трения сыпучих веществ.
Место
и сроки проведения работы: декабрь-январь 2014
-2015г., МАОУ «Ехэ-Цакирская СОШ»
Результаты
исследования
Трение, какое оно?
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.
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]
Эксперимент
№1
Цель:
определить внешний коэффициент трения сыпучих веществ.
Оборудование:
наклонная плоскость, клей, песок, измерительная лента.
Ход
работы:
1. На
наклонную плоскость нанесем тонкий слой клея;
2. Нанесем
на слой клея тонкий равномерный слой песка 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 песок не
начнет ссыпаться;
5. Измерим
с помощью измерительной ленты высоту h
и длину l;
6. Измерительные
данные занесем в таблицу.
№
|
Название
вещества
|
Высота
h, см
|
Длина
l, см
|
Коэффициент
трения μ
|
1
|
Мелкий
песок
|
17
|
26,5
|
0,64
|
0,599
|
15,5
|
26,5
|
0,58
|
16.5
|
26
|
0,63
|
15,5
|
26,5
|
0,57
|
16
|
27,5
|
0,58
|
2
|
Средний
песок
|
16,5
|
27
|
0,61
|
0,626
|
16,5
|
27
|
0,61
|
17
|
26,5
|
0,64
|
18,5
|
27
|
0,69
|
16
|
27,5
|
0,6
|
3
|
Крупный
песок
|
15,5
|
28
|
0,55
|
0,58
|
16
|
27,5
|
0,58
|
15
|
28,5
|
0,53
|
17
|
27,5
|
0,62
|
17,5
|
27
|
0,65
|
4
|
|
|
|
|
|
4
|
Сахарный
песок
|
15
|
40
|
0,375
|
0,43
|
16
|
41
|
0,390
|
18
|
42,5
|
0,424
|
20
|
42
|
0,446
|
21
|
42,5
|
0,464
|
5
|
Крупа
манная
|
15
|
41
|
0,366
|
0,43
|
17
|
41,5
|
0,410
|
18
|
42
|
0,429
|
20
|
42,5
|
0,471
|
21
|
43
|
0,488
|
Обработка
полученных результатов
ОХ: mgSinα - =0;
ОУ:N-mgCosα=0;
=mgSinα;
N=mgCosα;
=μN;
mgSinα=μmgCosα;
μ= = ;
=tgα; tgα=;
|
|
|
|
|
μ =;
|
|
|
μ =;
|
|
= ; = ;
Эксперимент
№2
Цель:
определить внешний коэффициент трения песка,
разделенного на фракции.
Оборудование:
воронка, измерительная лента, линейка, песок.
Ход работы:
- На
ровную поверхность насыпаем струю песка из воронки, сделанную из бумаги;
- При
насыпи песка в определенный момент образуется лавина из резкого возросшего
количества ссыпающего вещества, после этого прекратили сыпать песок;
- Измерили
высоту и радиус, получившегося кургана;
- Измерительные
данные занесем в таблицу.
№
|
Название
вещества
|
Высота
h, см
|
Длина
l, см
|
Радиус
R, см
|
Коэффициент
трения μ
|
1
|
Мелкий
песок
|
0,3
|
1
|
1
|
0,3
|
0,28
|
0,2
|
0,8
|
0,8
|
0,25
|
0,3
|
0,7
|
1
|
0,3
|
2
|
Средний
песок
|
0,4
|
1
|
0,9
|
0,44
|
0,49
|
0,5
|
0,9
|
1
|
0,5
|
0,5
|
1
|
0,9
|
0,55
|
3
|
Крупный
песок
|
0,5
|
1
|
1,5
|
0,33
|
0,33
|
0,6
|
1
|
1,5
|
0,4
|
0,4
|
1,5
|
1,5
|
0,26
|
4
|
Соль поваренная
|
1
|
8
|
2
|
0,25
|
0,30
|
0,5
|
5
|
1,5
|
0,30
|
2
|
7
|
2,5
|
0,36
|
Обработка
полученных результатов
ОХ: mgSinα - =0;
ОУ:N-mgCosα=0;
=mgSinα;
N=mgCosα;
=μN;
mgSinα=μmgCosα;
μ= = ;
=tgα; tgα=;
|
|
|
|
|
μ =;
|
|
|
μ =;
|
|
= ; = ;
Название вещества
|
Решение
|
Мелкий песок
|
μ = = 0,3;
μ = = 0,25;
μ = = 0,3;
|
Средний песок
|
μ = = 0,44;
μ = = 0,5;
μ = = 0,55;
|
Крупный песок
|
μ = = 0,33;
μ = = 0,4;
μ = = 0,26;
|
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
№2
|
|
tgα
|
Мелкий
песок
|
0,28
|
|
Средний
песок
|
0,49
|
|
Крупный
песок
|
0,33
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод:
чем больше внешний коэффициент трения, тем больше
тангенс угла, а, следовательно, курган выше.
Результаты погрешности
По всем проводим мной экспериментам, есть погрешность:
= ;
;
; = ;
….
;
Абсолютная погрешность по эксперименту№1
Для мелкого песка
= 0,599.
= 0,64 – 0,599 = 0,041;
= 0,58 – 0,599 = -
0,019;
= 0,63 – 0,599 = 0,031;
= 0,57 – 0,599 = -
0,029;
= 0,38 – 0,599 = -
0,019;
= = 0,001.
Для среднего песка
= 0,626.
= 0,61 – 0,626 = -
0,016;
= 0,61 – 0,626 = -
0,016;
= 0,64 – 0,626 = 0,014;
= 0,69 – 0,626 = 0,064;
= 0,6 – 0,626= - 0,026;
= = 0,004.
Для крупного песка
= 0,58.
= 0,55 – 0,58 = - 0,03;
= 0,58 – 0,58 = 0;
= 0,53 – 0,58 = - 0,05;
= 0,62 – 0,58 = 0,04;
= 0,65 – 0,58= 0,07;
= = 0,006.
Абсолютная погрешность по эксперименту№2
Для мелкого песка
= 0,28.
= 0,3 – 0,28 = 0,02;
= 0,25 – 0,28 = - 0,03;
= 0,3 – 0,28 = 0,02;
= = 0,003.
Для среднего песка
= 0,49.
= 0,44 – 0,49 = - 0,05;
= 0,5 – 0,49 = 0,01;
= 0,55 – 0,49 = 0,06;
= = 0,006.
Для крупного песка
= 0,33.
= 0,33 – 0,33 = 0;
= 0,4 – 0,33 = 0,07;
= 0,26 – 0,33 = - 0,07;
= = 0.
Заключение
В
ходе работы мною было выяснено: коэффициент трения
зависит от размеров частиц вещества и от метода эксперимента, в этом я и
убедилась на опытах.
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
- Трофимова
Т.И. «Физика от А до Я». –М.: «Дрофа» 2007 г. стр. 43- 44
- 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
Приложения
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.