发布时间 : 星期六 文章《理论力学》实验课程教学大纲和指导书剖析更新完毕开始阅读
实验二 动滑动摩擦因子的测量
摩擦问题是一个很复杂的问题．它所涉及的相关因数也很多。当然其中有些因数的影响因子很小，可以忽略。而如接触面的粗糙度、湿度等影响就比较大。动滑动摩擦因数，即动滑动摩擦力与正压力的比值，是表征两物体在单位正压力下相互间摩擦力大小的一个因数。摩擦的定律是法国科学家库仑于1781年建立的。它是一个近似定律，其简单的表示式子远远不能反映出摩擦的复杂性。由于其机理复杂且具有上述诸多相关因数，动滑动摩擦因数只能是一个实验值，确切地说理论上是无法计算的，只有通过实验的方法来获得一个近似的数值范围。不同材料(或同种材料)之间的动滑动摩擦因数，由于它在数值上与静摩擦因数存在一定的差异，因此不能随便地用简单的静止的方法来获取动滑动摩擦因数，而必须在其作相对运动时，用准确的测量方法以获得比较精确的实验结果。下面我们利用智能加速度测试仪来测试动滑动摩擦因数。
一、实验目的
1、 本实验是自主实验，学生自己独立完成； 2、 掌握摩擦因子测定的试验原理； 3、 学会测量动、静滑动摩擦因子的方法。
二、实验设备及其简介
1、设备
智能加速度测试仪，待测物体，量角器，可调节的斜面
2、智能仪器简介
根据摩擦因数求解原理，我们利用光电技术和单片机原理自行设计开发了一套动滑动摩擦因数智能测试系统，其结构示意图如图2-1所示。
图2-1 动滑动摩擦因数智能测试系统
它由智能加速度测试仪C 、角度?可调的斜面滑板B和带有恒距离挡光片的滑块A组成。在斜面滑板B上安装有光电门电路装置L1 、L2。
三、实验原理
1、动滑动摩擦因数计算公式的推导
假设质量为m 的物体沿斜面滑下，斜面的倾角为?，如图2-2所示。
图2-2 质量为m 的物体从斜面滑下示意图
又设物体经过第一门槛线L1的速度为v1，经过第二门槛线L2的速度为v2；以沿着斜面向下的方向为x轴方向，垂直于斜面向上的方向为y轴方向，其受力分析如图2-3所示。则有 ?Y?0;
FN?mgcos? （1） ma?mgsin??FNfd （2）
?X?ma;
图2-3 物体的受力分析图
将式(1)代入式(2)得计算动滑动摩擦因数的第一种表达式
fd?tg??
a （3）
gcos?从这第一种表达式可见，只要能测试得到平均加速度a，就可以知道动滑动摩擦因数fd。
2、测量原理
当滑块A 从滑板B 的上端自由滑下时，光电测试仪C会自动测定并存储运动滑块上的两条挡光片通过光电门1时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔?t1和通过光电门2时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔?t2，以及运动滑块从第一光电门到第二光电门所经历的时间间隔?t3 (以各光电门第一次被挡光的时刻计)。根据两挡片之间的距离参数?S即可通过智能测试仪计算出滑块上两挡片通过第一个光电门时的平均速度v1??S/?t1和通过第二个光电门时的平均速度
v2??S/?t2。由于?t1和?t2均很小，我们可以近似地认为在该段时间内物体作
匀加速运动，把?t1时间内的平均速度?S/?t1近似为?t1/2时刻的瞬时速度v1；把?t2时间内的平均速度?S/?t2近似为?t2/2时刻的瞬时速度v2。而且从v1增加到v2所需时间修正为?t4?(?t3??t1/2??t2/2)，因为根据加速度定义，在?t4时间内的平均加速度为
a?v2?v1 （4） ?t4根据测得的?t1，?t2，?t4和预先输入的挡光片间隔?S的值(?S=50mm)，经智能测试仪记录、运算并显示之，可自动得到v1， v2和a等参数。
为了计算方便，我们可以从式(3)导得另两种动滑动摩擦因数的表达式
fd?tg??v2?v1 （5）
g?t4cos??S(?t1??t2) （6）
g?t4?t1?t2cos?fd?tg??以上式(3)、式(5)、式(6)均可用来计算动滑动摩擦因数。不同的参数，用不同的计算公式进行计算。
四、测试方法与步骤
1、测试准备
将待测试的两种面料分别固定于滑块A和滑板B上，并使其平整且不要拉得太紧；调节斜面的倾角，并使其保持一定的倾角?以便保证滑块能以适当的加速度下滑；接通系统电源根据说明书设置测试仪使其处于待测状态。 2、 测试步骤
（1）打开职能加速仪的电源开关，等待数字显示值稳定（5.0）； （2）将试验选择设置为直线；
（3）按下“工作”键，开始正式试验，让滑块从适当倾斜的斜面上滑下，职能加速仪即记下试验次数，纪录下滑块a和b边经过光电门I的时间，按“显示选择”键显示?t1，显示的数值即为滑块a和b边经过光电门I的时间t1；再按“显示选择”键显示?t2，显示的数值为滑块a和b边经过光电门II的时间t2；再按“显示选择”键显示?t'，显示的数值为从L1到L2所需要的时间t3；依次纪录?t、
v1(?1)、v2(?2)、?(?)、?(?)。
（4）再按“工作”键，可进行第二次试验，总共可进行10次，10次结束后
若要继续试验，可按取消以前的数据，然后继续试验。 （5）重新换材料，按照以上四步测量，纪录试验数据 3、 测试并记录数据
测试时，让滑块A沿斜面导轨B 自由地下滑至左侧底部。智能测试仪将自动记录过程参数并可显示出?t1、?t2、?t3、?t4、v1、v2和a等参数。
表1 几种材料料间的动滑动摩擦因数测量数据记录及处理表