ТРИБОМЕТР

Полезная модель относится к приборам для определения коэффициентов трения, возникающих при движении одного тела но поверхности другого, может служить в качестве демонстрационного наглядного пособия в учебном процессе, конкретно при изучении естественных и технических дисциплин.
Существуют трибометры для демонстрации различных видов трения, оказывающего сопротивление при движении одного тела относительно другого, например, при скольжении или качении и определения соответствующих коэффициентов трения (1-3). Для этого обычно используются пары тел, изготовленных из одного или разных материалов. В качестве одного из них служат плоские пластины (плоскости), устанавливаемые на горизонтальных неподвижных плоскостях или изменяемым относительно горизонта углом наклона. Другими телами в контактируемых парах тел служат бруски, цилиндры.
Все приборы имеют одну общую черту - возможность прямого наблюдения за явлениями на фрикционном контакте.
В учебных целях для демонстрации названных видов трения обычно используются горизонтальные плоскости или устанавливаемые на них пластины, вдоль которых со скольжением перемещают другое тело. При постоянной скорости скольжения тела величина силы трения фиксируется в таких опытах динамометром или взвешиванием (1). Недостатком таких устройств является их функциональная ограниченность, так как с их помощью можно наблюдать лишь один вид трения, например, скольжения или качения.
Для демонстрации трения качения и его влияния на сопротивление качению одного тела по поверхности другого нужно использовать иные соответствующие устройства.
Известен наклонный трибометр, принятый нами за прототип, который содержит наклонную плоскость с изменяемым углом наклона относительно горизонта, фиксатор угла наклона плоскости, брусок, две грани которого имеют примерно вдвое большую площадь, чем две другие, одна грань шероховатая, остальные имеют одинаковую гладкость (Лекционные демонстрации по физике. (1). Этот трибометр дает возможность исследовать сопротивление движению одного тела по поверхности другого, вызванного силами трения, которые зависят от материалов трущихся тел, гладкости граней бруска и площади контакта бруска с наклонной плоскостью (по закону Ньютона-Амонтона сила трения не зависит от площади контакта).
Недостатками этого трибометра является его функциональная ограниченность. С помощью этого устройства нельзя изучать трение качения совместно с трением скольжения, что интересно для одного и того же чела на наклонной плоскости, и определять коэффициент трения качения, верчения одного тела на поверхности другого, верчения со скольжением, что имеет место в теории и прикладных задачах механики (4, 5).
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей.
Технический эффект достигается тем, что в известном трибометре, содержащем две плоскости, соединенные вращательной кинематической парой, одна из которых неподвижна и горизонтальна, другая - подвижная, фиксатор угла между ними, тело с разными по гладкости и площадью гранями в зоне контакта их с подвижной плоскостью, тело выполнено в виде гироскопа и представляет собой сборный цилиндр, состоящий из двух одинаковых прямых цилиндров. Каждый из цилиндров имеет основаниями круг и эллиптическое сечение, и может образовывать с заостренным стержнем соосные винтовые кинематические пары с самоторможением, при этом основания одного из цилиндров имеют шероховатость, а другого - одинаковую гладкость, а длина стержня превышает высоту сборного цилиндра. Прямые цилиндры могут быть выполнены из разных материалов.
С помощью предлагаемого устройства можно исследовать, кроме трения скольжения, трение, возникающее при качении, верчении и верчении со скольжением при движении одного и того же тела по наклонной плоскости, а также условие устойчивых колебаний оси волчка (5).
Выполнение тела в виде гироскопа позволяет с использованием одной и той же совокупности двух тел «цилиндр+стержень» образовывать винтовую кинематическую пару. При этом с помощью стержня можно формировать прямой и наклонный цилиндры с параллельными, но разными по площади основаниями и шероховатостями.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3 показан общий вид трибометра во всех случаях его использования.
Трибометр состоит из неподвижной горизонтальной 1 и подвижной наклонной плоскости 2, соединенных вращательной кинематической парой 3, гироскопа, состоящего из цилиндров 4 и 5, которые выполнены с основаниями в виде эллипса и цилиндра, и образуют с заостренным стержнем 6 винтовую кинематическую пару с самоторможением. Основания одного из цилиндров выполнены шероховатыми, например, оклеены стеклянной бумагой.
Трибометр используют следующим образом.
В исходном положении горизонтальная 1 и наклонная 2 плоскости совпадают, угол между ними равен нулю.
Определяем коэффициент трения скольжения в случае гладкого контакта цилиндра с плоскостью. Поворачивая стержень, устанавливаем его так, чтобы один из его концов не выступал над поверхностью одного из оснований цилиндра (гладкого). Устанавливаем цилиндр этим основанием на наклонную плоскость, которая находится в горизонтальном положении (угол наклона равен нулю). Увеличиваем угол наклона подвижной плоскости, добиваясь равномерного скольжения цилиндра вниз. Фиксируем это положение плоскости и по транспортиру определяем ее угол наклона относительно горизонта и соответственно по углу находим тангенс, то есть коэффициент скольжения цилиндра относительно наклонной плоскости.
Влияние шероховатости в зоне контакта.
То же самое выполняем, установив цилиндр на другое основание (шероховатое), и по углу равномерного скольжения цилиндра определяем соответствующий коэффициент трения.
Увеличение площади скольжения (гладкий контакт). Поворачивая стержень 6, освобождаем верхнюю или нижнюю части цилиндра. Свинчиваем части так, чтобы получился цилиндр с эллиптическими основаниями. Поворачивая стержень 6, добиваемся, чтобы один из концов стержня не выступал над основанием. Устанавливаем цилиндр на наклонную плоскость. Увеличиваем угол наклона подвижной плоскости 2, добиваемся его равномерного скольжения вниз по наклонной плоскости и фиксируем соответствующее значение угла наклона и определяем коэффициент скольжения цилиндра относительно наклонной плоскости при гладком контакте.
Увеличение площади скольжения (шероховатый контакт). Процедура определения коэффициента трения скольжения при наличии шероховатости в зоне скольжения проводится в том же порядке, что и в случае ее отсутствия. По фиксированному углу наклона плоскости определяется его тангенс - коэффициент трения скольжения при наличии шероховатости.
Определение трения качения.
Прямой цилиндр устанавливаем на наклонную плоскость 2, когда угол ее наклона относительно горизонта равен нулю. Увеличиваем угол наклона подвижной плоскости, добиваемся его равномерного качения вниз по наклонной плоскости и фиксируем соответствующее значение угла наклона. По углу находим его тангенс, то есть коэффициент трения качения цилиндра относительно наклонной плоскости при гладком контакте.
Определение трения верчения.
Верчение на заостренный конец стержня. Устанавливаем цилиндр заостренным концом, поворачивая стержень в цилиндре, на наклонную плоскость 2, находящуюся в исходном положении (угол между плоскостями равен нулю) и вручную приводим его в быстрое вращение. Увеличиваем угол наклона подвижной плоскости 2, добиваемся его равномерного качения вниз по наклонной плоскости и фиксируем соответствующее значение угла наклона. По углу находим его тангенс, то есть коэффициент трения верчения цилиндра относительно наклонной плоскости при гладком контакте опоры с наклонной плоскостью.
Верчение с опорой на овал. Устанавливаем цилиндр (поворачивая стержень в цилиндре) так, чтобы стержень опирался на наклонную плоскость, находящуюся в исходном положении (угол между плоскостями равен нулю), концевым овалом и вручную приводим его в быстрое вращение. Увеличиваем угол наклона подвижной плоскости, добиваемся равномерного скольжения цилиндра вниз по наклонной плоскости и фиксируем соответствующее значение угла наклона.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Лекционные демонстрации по физике. Грабовский М.А., Млодзиевский А.Б. и др., / под ред. В.И.Иверовой, изд. 2-е, переработанное, Изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1972. - С. 89.
2. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. Учеб. для втузов. - М.: Высш. школа, 2001. - 416 с. С. 64-72.
3. Силин А.А. Трение и его роль в развитии техники. - М.:
Изд-во «Наука», 1976.
4. Проблемы гироскопии. П.Контенсу. Связь между трением скольжения и трением верчения и ее учет в теории волчка. - М.: Издательство «Мир», 1967. - 215 с. С. 60-77.
5. Джемс Б.Скарборо. Гироскоп. Теория и применения. - М. Изд-во иностранной литературы, 1981 с.85.