用光电技术测量滑动摩擦系数，本文主要内容关键词为：摩擦系数论文,用光论文,测量论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摩擦是一种极其复杂的物理现象，摩擦定律是法国物理学家库仑于1781年建立的。具体内容是，滑动摩擦系数μ，在数值上等于两物体间的滑动摩擦力f与物体间的正压力N之比，即表示两物体在单位正压力下相互间摩擦力大小的一个因数。它是一个近似定律，其简单表达式远远不能反映出摩擦的复杂性。由于其产生机理复杂且具有诸多相关因数，至今尚未建立起完整的理论。只是反映了摩擦系μ与摩擦力f和物体间正压力N之间的数量关系。而物体间摩擦系数μ的大小和产生原因并不是由摩擦力f和物体间正压N所决定的。像一段导体的电阻R等于导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值，但其电阻R的大小并不由电压和电流所决定一样。比较近似的认为摩擦产生的原因有三个，一是由于接触面间的凹凸不平，二是由于接触面间的分子吸引力，这既与接触物体的材料有关，也与物体表面的粗糙程度有关，三是与物体间的相对运动速度、接触面积、环境的湿度等均有一定关系。滑动摩擦系数只能是一个实验值，也就是说从理论上无法直接推导出数值，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摩擦系数，由于它在数值上与静摩擦系数存在一定差异，因此不能随便的用简单的静止的方法来获取，而必须在物体间作相对运动时，用准确的测量方法以获得比较精确的实验结果。笔者下面介绍一种测试滑动摩擦系数μ的一种仪器和方法。
滑动摩擦系数计算公式的推导。公式的推导一般都是利用斜面装置。假设质量为m的物体沿斜面滑下，斜面的倾角为α，如图1所示。设物体经过A点的速度v[，1]，经过B时的速度v[，2]，取沿斜面向下的方向X轴为正方向，垂直于斜面向上的方向为Y轴正方向，其受力分析如图2所示，据此有：
将式①代入式②得滑动摩擦系数的表达式为：μ=tgα-（a/gcosα）。③
若a=0，则μ=tgα。
若a＞o，只要测出加速度a，代入③就可求出。
测滑动摩擦系数的仪器的构成
根据滑动摩擦系数的求解原理，我们利用光电技术和单片机原理自选设计开发了一套滑动摩擦系数智能测试系统，其结构示意图如图3所示。它由加速度测试仪M、角度α可调的斜面滑板S和带有恒距离挡光片的滑块A组成。在斜面滑板S上安装有光电门电路装置x[，1]、x[，2]。
测量原理，当滑块A从滑板S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Δt[，1]和通过光电门2时的第一次挡光与第二次挡光时间间隔Δt[，2]，以及运动滑块从第一个光电门到第二个光电门所经历的时间间隔Δt[，3]，（以各光电门第一次被挡光的时刻计时），根据两挡片之间的距离参数Δs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：v[，1]=Δs/Δt[，1]④
通过第二个光电门时的平均速度：
v[，2]=Δs/Δt[，2]⑤
由于Δt[，1]、Δt[，2]均很小，我们可以近似的认为在该段时间内滑块作匀加速运动，把Δt[，1]，内的平均速度Δs/Δt[，1]近似认为Δt[，1]/2时刻的瞬时速度v[，1]；把Δt[，2]时间内的平均速度Δs/Δt[，2]近似认为Δt[，2]/2时刻的瞬时速度v[，2]；而且从v[，1]到v[，2]所需时间修正为Δt[，4]=（Δt[，3]-Δt[，1]/2+Δt[，2]/2），根据加速度定义式，在Δt[，4]时间内的平均加速度为：a=（v[，2]-v[，1]）/Δt[，4]⑥
根据测得的Δt[，1]、Δt[，2]、Δt[，4]和预先输入的挡光片间隔Δs的值（Δs=50mm），经测试仪记录、运算并显示，可自动得到v[，1]、v[，2]、a的数值。
我们将④、⑤、⑥式代入③得：
α的选择要使物块A恰能在斜面S上匀速下滑，或要求它恰能自动下滑。如倾角α过大将会影响数据的误差和结果的精度。
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