Трение сыпучих строительных материалов

Строитель - одна из древнейших профессий. Ещё со времён первобытной общины человек строил кров, чтобы защититься от стихийных бедствий, палящего солнца, пронизывающего ветра.

На территории нашей Родины найдены остатки жилища, сооруженного 25 тыс. лет назад, основанного на каркасе из черепов мамонтов, челюстей и берцовых костей разных животных.

Самые ранние каменные постройки, а также развалены гигантских стен из кирпича, обнаружены на юге Африки – они строились 57 тыс. лет назад.

В строительной практике человека долгое время оставались в качестве основных материалов камень, глина, песок, дерево.

Наблюдая с детства за тем, как сыпется с кузова грузового автомобиля строительный материал (песок, глина, щебень и др. ) меня интересовал вопрос: «Почему одни материалы при складировании имеют форму конуса и занимают малую площадь опоры, а другие приобретают форму круглой горки?» «От каких факторов может зависеть такая закономерность?»

Подобный вопрос возникал у меня и тогда, когда я видел, как сыпется сахар, мука, различные крупы, соль. Все они являются сыпучими материалами и между ними также как между жидкостями, газами и поверхностями твердых тел действует сила трения.

При строительстве различных объектов, площадь для хранения строительных материалов при них ограничена. Я поставил перед собой цель: определить факторы, от которых зависит коэффициент трения сыпучих строительных материалов?

Данная работа может позволить сделать прогноз о том, как лучше произвести складирование строительного материала, необходимого для ведения строительства с учетом ограниченности площади строительной площадки.

С результатами данного исследования можно выступить перед прорабом села, членами строительной бригады, сделав упор на обозначившиеся проблемы.

Исходя, из этого были поставлены следующие задачи.

Задачи исследования: изучить имеющеюся литературу по теме исследования, определить предметы исследования, определить коэффициент трения сыпучих строительных материалов и их угол откоса, делая упор на вес используемого материала, равномерность засыпания, на форму и характер поверхности частиц.

После исследования собрать и обработать данные, свисти их в таблицы и провести анализ, который позволит сделать выводы о том, что в большей степени влияет на форму образовавшихся горок и на занимаемую ими площадь.

В заключении, по полученным выводам, на основе теоретического материала, попытаться дать некоторые рекомендации администрации совхоза по более эффективной организации научно – технического процесса.

Методика исследования

Для решения этих задач работа была организована в несколько этапов: сначала подбор литературы и изучение её по теме работы, затем составление таблиц, для занесения результатов эксперимента; на втором этапе - проведение исследования и обработка данных, а на третьем этапе - анализ результатов и выводы по ним.

Предметом исследования были взяты песок, глина, мелкий гравий, цемент массой по 1 кг и по 2 кг.

Коэффициент трения сыпучих строительных материалов я определял двумя способами: а) с помощью насыпных горок; б) с помощью угла откоса.

Оборудование: перечисленный выше строительный материал, воронка, тонкая соломинка, высотой 30 см, лист бумаги, линейка, коробка прямоугольной формы, транспортир.

Описание эксперимента № 1: Определение коэффициента трения.

1. Насыпаем горку (песок и др. материалы по очереди) на лист бумаги. Образуется конусовидная горка.

2. Измеряем высоту конуса, аккуратно вставив соломинку в его вершину, и радиус окружности основания конуса, очертив ее на бумаге.

3. Рассчитываем коэффициент трения песчинки о песчинку по формуле:

μ = tgα = h/R

4. Результаты вносим в таблицу и делаем выводы.

Описание эксперимента № 2: Определение угла откоса сыпучих строительных материалов.

1. В коробку из плиссигласа прямоугольной формы помещаем определённое количество сыпучего материала (песок, глина, мелкие камушки и т. д. ).

2. Коробку осторожно наклоняем и ставим на боковую грань. Рис1 (Приложения)

3. С помощью линейки, транспортира определяем угол естественного откоса, и коэффициент трения трущихся частиц.

4. Результаты вносим в таблицу и делаем выводы.

Основная часть

Теоретическое обоснование темы:

О трении знают все, и не сомневаюсь, каждый из нас может рассказать о нем немало интересного. С явлением трения мы знакомы с детства. В разных случаях мы говорим: «В походе не натрите ноги»; в школе — «Сотрите с доски записи».

Всем известно, как трудно ехать на несмазанном велосипеде (да ещё против ветра) или тащить санки по посыпанной песком дорожке (да ещё с грузом); трудно передвигать шкаф (по гладкому паркету легче).

Совершенно очевидно, что без трения буквально и шага не сделаешь.

Трение удерживает все стоящие на столе и на полу предметы, а также нити в швах, гвозди и шурупы в стенах и деталях, гайки на болтах, узлы и т. д.

Так что судите сами, вредно трение или полезно. Трение есть, и с этим нужно считаться. А чтобы влиять на явление, нужно его изучать.

Классический закон трения. Два самых главных изобретения человека - колесо и добывание огня - связаны с силой трения. Изобретение колеса позволило значительно уменьшить силу, препятствующую движению, а добывание огня поставило силу трения на службу человеку. Однако до сих пор учёные далеки от полного понимания физических основ силы трения. И вовсе не оттого, что людей с некоторых пор перестало интересовать это явление. Первая формулировка законов трения принадлежит великому Леонардо (1519 г. ), который утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Этот закон был заново открыт через 180 лет Г. Амонтоном, а затем уточнён в работах Ш. Кулона (1781 г. ). 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:

Fтр = μN где Fтр - сила трения, N - составляющая силы прижатия, нормальная к поверхности контакта, а -μ коэффициент трения, - является единственной формулой, которую можно найти в учебниках по физике. (1, 20стр. )

В течение двух столетий экспериментально доказанный закон никто не смог опровергнуть и до сих пор он звучит так, как и 200 лет назад:

1. Сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей силы, сжимающей поверхности скользящих тел, и всегда действует в направлении, противоположном направлению движения.

2. Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.

3. Сила трения покоя всегда больше силы трения скольжения.

4. Сила трения зависит только от свойств двух материалов, которые скользят друг по другу.

Классики не всегда правы. Уже в XIX в. стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не даёт правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. 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.

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, о которых речь пойдет позже. Известны несколько видов трения, в числе которых трение покоя, трение скольжения, трение качения, сопротивление среды. 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.

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.

Как атомы трутся друг о друга? — спрашиваем у учёных. Сложность изучения трения заключается в том, что место, где этот процесс происходит, скрыт от исследователя со всех сторон. Несмотря на это, учёные уже давно пришли к заключению, что сила трения связана с тем, что на микроскопическом уровне (т. е. если посмотреть в микроскоп) соприкасающиеся поверхности очень шероховатые, даже если они отполированы.

Если мы хотим изучать трение, нам надо ухитриться двигать песчинку, состоящую из несколько атомов, вдоль поверхности на очень маленьком расстоянии от нее, измеряя при этом силы, действующие на эту песчинку со стороны поверхности. Это стало возможным после изобретения атомно-силового микроскопа (АСМ) Г. Биннингом и

Г. Рорером, которым в 1986 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Создание такого микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания между отдельными атомами, дало возможность наконец «пощупать», что такое силы трения, открыв новую область науки о трении - нанотрибологию.

В современной технике имеет существенное значение еще одна физическая величина, имеющая прямое отношение к трению. Это угол трения.

Углом трения называется угол, при котором происходит равномерное скольжение тел по наклонной плоскости. На рисунке 2 (Смотрите приложение) угол α есть угол трения. Если коэффициент трения обозначить μ, то Fтр = μN.

Но F2 = Fсозα, тогда Fтр = μ тg созα, одновременно F1 = Fsin α, а значит, тgsin α = μ тg соз α, откуда μ = tg α, т. е. тангенс угла трения равен коэффициенту трения.

Исходя из значения коэффициента трения, между сыпучими телами и дном платформы автомобиля-самосвала конструктору автомобиля заранее задается максимальный угол подъема платформы автомобиля при разгрузке. При этом учитывается сыпучий материал, имеющий наибольший коэффициент трения с дном платформы самосвала, из тех материалов, для перевозки которых предназначается автомобиль. Максимальный угол подъема платформы всегда несколько превышает угол трения.

У некоторых из автомобилей-самосвалов он таков: БелАЗ 549 - 55°, МАЗ 525 - 55°,

ЯАЗ 210Е - 60°, ЗИЛ 585 - 48°.

Трение в жизни человека, в природе, быту и технике выполняет двойственную роль: в одних случаях — положительную, в других — отрицательную. Очень часто трение является полезным, вследствие чего оно широко используется в быту и в технике. Так, именно трение подошв обуви о пол зданий, о дороги и землю обеспечивают возможность передвижения, хождения человека. Трение об опору — землю, дороги, рельсы, движущих колес различных видов транспорта создает возможность движения автомобилей, трамваев, троллейбусов, поездов, самоходных сельскохозяйственных машин и т. д. С помощью трения обеспечивается передача движения в самых различных, так называемых фрикционных устройствах, например в муфтах сцепления автомобилей, тракторов и тепловозов, имеющих механическую силовую передачу от двигателей к движущим осям и колесам. Трение настолько необходимо и мы настолько сжились с ним, что мир без трения показался бы нам просто фантастическим.

Практическая часть

Эксперимент № 1: Определение коэффициента трения.

№ п/п Материал Кол-во h, см R, см μ

1. Песок 1 8 11. 25 0,7

2. Песок 2 10 13,7 0,7

3. Глина 1 7 11,5 0,6

4. Глина 2 9 14,5 0. 6

5. Щебень 1 8,9 13 0,67

6. Щебень 2 11,2 17,2 0,67

7. Цемент 1 8 10 0,8

8. Цемент 2 10 12,5 0,8

Вывод: Исходя из данных таблицы, графика и диаграммы видно, что коэффициент трения не зависит от веса тела; от размеров насыпной горки. Его значение увеличивается от состояния соприкасающихся поверхностей (песок, щебень и т. д. ).

Эксперимент № 2: Определение угла откоса сыпучих строительных материалов.

№ п/п Материал Кол-во

(кг. ) h, см R, см α μ 1. Песок 1 8. 2 12 320 0,68 2. Песок 2 9,2 13,3 350 0,69 3. Глина 1 6,8 11,8 310 0,58 4. Глина 2 8,7 15 300 0,58 5. Щебень 1 9 13. 4 330 0,67 6. Щебень 2 11 16,4 330 0,67 7. Цемент 1 8,5 11,2 370 0,76 8. Цемент 2 10,4 13,3 380 0,78

Вывод: Используемые в эксперименте материалы образуют при насыпании горку, угол при вершине которой, исходя из данных таблицы, зависит в большей степени от формы и характера поверхности частиц. Чем коэффициент трения между частицами больше, тем радиус горки и площадь, занимаемая ею опоры меньше. Сравнивая углы откоса, строя график зависимости угла от коэффициента трения убеждаемся, что они заметно отличаются друг от друга. Величина угла связана с коэффициентом трения покоя.

Выводы и рекомендации.

В заключение моей работы, проанализировав все полученные и обработанные в таблицах результаты, можно сделать некоторые выводы и дать рекомендации по учету коэффициента трения сыпучих строительных материалов при проектировании строительных и складских работ.

Выводы:

1. Коэффициент трения не зависит от веса тела.

2. Коэффициент трения увеличивается в зависимости от состояния соприкасающихся поверхностей (песок, щебень и т. д. )

3. Различные сыпучие тела при насыпании их горкой образуют конус, у которого угол при вершине зависит от формы и характера поверхности частиц. Его величина связана с коэффициентом трения покоя.

4. Коэффициент трения от размеров насыпной горки не зависит.

5. Сыпучие вещества имеют неодинаковые коэффициенты трения и, следовательно, разные углы откоса.

Рекомендации:

По результатам данного исследования можно дать некоторые рекомендации:

1. С данной работой можно выступить перед членами строительной бригады, шоферами, занимающимися перевозкой строительных материалов.

2. Результаты работы можно учитывать при расчете площади, необходимой для разгрузки строительных сыпучих материалов.

3. Используя условия эксперимента можно показать, что угол трения учитывается и в установке различных ленточных наклонных транспортеров. Угол подъема ленты транспортёра должен быть меньше угла трения, чтобы транспортируемый груз, не ссыпался вниз, а двигался по назначению вместе с лентой транспортера.

4. Результаты работы можно использовать на уроках физики для активизации познавательной деятельности учащихся.