Проект "Исследование зависимости сухого трения от скорости движения и других факторов."

МАУ ДО «Детско-юношеский центр»

Исследование зависимости сухого трение от скорости движения и других факторов.

Автор: Белецан Олег Богданович,

МАУ ДО «Детско-юношеский центр»

ученик 11 класса

Руководитель:

Николаев Владислав Николаевич

Педагог дополнительного образования

МАУ ДО «Детско-юношеский центр»

Салехард 2017

1

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………...3

1.Основная часть………………………………………………………………………………..4

1.1.История силы трения …………………………………………………...………………..4

1.2.Сила трения……………………………………………………………..…………………6

1.3.Фрикционные автоколебания……………………………………………………………8

2.Заключение и основные выводы…………………………………….………..……………. 9

3.Список используемой литературы………………………………………………….…….…10

2

Исследование зависимости сухого трение от скорости движения и других факторов.

Белецан О.Б.

МАУ ДО «Детско-юношеский центр», г.Салехард

Предмет исследования:

Выяснение изменения силы трения от скорости движения.

Актуальность:

Мало кто, кроме ученых, занимающихся трибологией(наукой о силе трения), знает что такое штрибек-эффект. Практически все даже и не слышали об этом. Поэтому для более полного понимания силы трения необходимо ознакомится с данным эффектом.

Объект исследования:

Брусок и трибометр.

Метод исследования:

Экспериментальный с применением компьютерных измерителей MultiLab.

Задачи:

• Поиск и ознакомление с информацией о штрибек-эффекте

• Ознакомление с программным обеспечением оборудования MultiLab

• Проведение экспериментальных исследований

• Формулировка выводов

Полученные результаты

• 1. Доказали, что штрибек-эффект существует.

• 2. В ходе исследования мы нашли зависимость скорости штрибек-эффекта от массы тела. Чем больше масса, тем меньше скорость.

• 3. Есть фрикционные колебания.

3

Введение.

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но, 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.

Когда говорят о трении, различают три несколько отличных физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или газе – его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение; сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.

История возникновения силы трения.

Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Леонардо (1519) утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш.О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула

F_тр = μN,

где N - сила реакции опоры, а F_тр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения F_тр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

4

Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году дал первую теорию смазки.

При наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости, представленная графиком на рис. 1. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, показанную на рис. 1

Сила трения.

Трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе.

Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.

Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя.

Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.

Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).

Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные просуммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).

а

б

Рис.2

Иная картина взаимодействия тел получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R". Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция опоры). Силу R можно разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную против действия силы F (рис. 2, б).

7

Схема модели фрикционных автоколебаний.

Фрикционные автоколебания - крайне нежелательный эффект в технике. Для многих машин требуется обеспечить плавное, без толчков, медленное движение. Сварочный робот должен плавно вести сварочный аппарат вдоль свариваемого шва: если возникнут колебания, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины деформируются, а в другом сварка не осуществится вовсе, аппарат его проскочит. А ведь робот - это механизм, в узлах которого обязательно возникает трение. При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.).

Обрисованная картина указывает и на два главных пути уменьшения трения: улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания, или обеспечить возможно лучший доступ смазки и сохранность поверхностного слоя. Это самые важные пути, и они предназначены не только для борьбы за плавность хода, но прежде всего для борьбы с ненужными потерями энергии в скользящих контактах. Поиском эффективных видов смазочных материалов и способов их подвода к скользящим поверхностям занимается большое количество специалистов. В зависимости от уровня гашения колебания могут существовать либо не возникать вовсе. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.

8

Заключение и основные выводы

1. Доказали, что штрибек-эффект существует.

2. В ходе исследования мы нашли зависимость скорости штрибек-эффекта от массы тела. Чем больше масса, тем меньше скорость.

3. Есть фрикционные колебания.

• Таблица полученных результатов

Условия движения

F(H)

Время штрибек-эффекта

t, c

(Н)

Скорость штрибек-эффекта, (F/t), (H/c)

Период Фрикционных автоколебаний,

Т, с

800г по столу

6,00

0,04

5, 75

6,25

0,1

800г по газете

4,75

0,10

4,00

7,50

0,1

1 кг по газете

5,80

0,18

4,33

8,42

0,1

2 кг по газете

8,98

0, 19

7,51

7,60

0,1

9

ЛИТЕРАТУРА

1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

2. Блехман И.И., Джанелидзе Г.И. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964. 313 с.

3. Armstrong-Helouvry B., Dupont P., Canudas de Wit C. A Survey of Models, Analysis Tools and Compensation Methods for Control of Machines with Friction // Automatika. 1994. Vol. 30, ╧ 7. P. 1083-1138.

4. Canudas de Wit C., Olsson H., Astrom K.J., Lishinsky P. A New Model for Control of Systems with Friction // IEEE Trans. AC-40. 1995. ╧ 3. P. 419-425.

5. Волосов В.М., Моргунов Б.И. Метод осреднения в теории нелинейных колебательных систем. М.: Изд-во МГУ, 1971. 507 с.

6. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986. 615 с.

7. Pervozvanski A., Canudas de Wit C. Vibrational Smoothing in Systems with Dynamic Friction // Subm. to Trans. ASME. 1998.

10