Bài giảng Cở sở lý thuyết - Chương 4: Ma sát - Ngô Văn Cường

pdf 51 trang ngocly 19/05/2021 1710
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cở sở lý thuyết - Chương 4: Ma sát - Ngô Văn Cường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_co_so_ly_thuyet_chuong_4_ma_sat_ngo_van_cuong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cở sở lý thuyết - Chương 4: Ma sát - Ngô Văn Cường

  1. Chương 4 Chương 4 MA SÁT 1. Phản lực liên kết trên các mặt tựa. Khái niệm về ma sát và sự phân loại. 2. Định luật ma sát COULOMB 3. Cân bằng của các vật rắn chịu các liên kết có ma sát 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 1/51
  2. Chương 4 1. Phản lực liên kết trên các mặt tựa. Khái niệm về ma sát và sự phân loại. 1.1. Mô hình phản lực liên kết trên các mặt tựa Trong thực tế, các vật rắn khi tiếp xúc với nhau luôn luôn xảy ra trên một miền nhỏ nào đó. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 2/51
  3. Chương 4 Do đó, khi hai vật tiếp xúc với nhau sẽ xuất hiện một hệ các phản lực liên kết. Các lực này ngăn cản các chuyển động hoặc xu hướng chuyển động của vật này đối với vật kia. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 3/51
  4. Chương 4 1.2. Khái niệm về lực ma sát Thu gọn hệ phản lực tại miền tiếp xúc về một điểm tiếp xúc nào đó, ta được lực và ngẫu lực. Ta phân tích lực và ngẫu lực thành các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến: 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 4/51
  5. Chương 4 RNF (,)ms l x MMM (,)ms ms Vậy hệ phản lực liên kết tương đương với 4 thành phần phản lực: 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 5/51
  6. Chương 4  Thành phần phản lực pháp tuyến N như thường thấy, ngăn cản chuyển động theo phương pháp tuyến của bề mặt vật; 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 6/51
  7. Chương 4  Thành phần phản lực tiếp tuyến ký hiệu là F ms ngăn cản chuyển động trượt hoặc xu hướng trượt của vật trên bề mặt liên kết; gọi là lực ma sát trượt. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 7/51
  8. Chương 4 l  Thành phần ngẫu lực M ms ngăn cản sự lăn của vật trên bề mặt liên kết; gọi là ngẫu lực ma sát lăn. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 8/51
  9. Chương 4 x  Thành phần ngẫu lực M ms ngăn cản sự xoay của vật xung quanh pháp tuyến của mặt liên kết, gọi là ngẫu lực ma sát xoay. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 9/51
  10. Chương 4 Cường độ các thành phần lực ma sát: lực ma sát trượt, ngẫu lực ma sát lăn, ngẫu lực ma sát xoay phụ thuộc vào tính chất vật lý của các bề mặt, chất liệu tạo nên các vật (sắt, đồng, gỗ ) và kết cấu của liên kết, các lực cho trước tác dụng lên vật. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 10/51
  11. Chương 4 Chiều của chúng phụ thuộc vào xu hướng chuyển động trượt, lăn, xoay của vật. 1.3. Phân loại ma sát  Dựa vào trạng thái cơ học của vật ta phân loại ma sát thành: ma sát tĩnh và ma sát động. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 11/51
  12. Chương 4  Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện khi các vật ở trạng thái đứng yên hay khi có các xu hướng chuyển động tương đối giữa vật này và vật kia.  Ma sát động: là ma sát xuất hiện khi các vật chuyển động tương đối với nhau. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 12/51
  13. Chương 4  Dựa vào tính chất của bề mặt tiếp xúc ta có: ma sát khô và ma sát nhớt  Ma sát khô: là ma sát xuất hiện khi các bề mặt của các vật tiếp xúc trực tiếp (không có các lớp bôi trơn như dầu, mỡ).  Ma sát nhớt: Khi trên bề mặt các vật tiếp xúc có các lớp bôi trơn ta có ma sát nhớt. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 13/51
  14. Chương 4 2. Định luật ma sát COULOMB Các định luật ma sát được xây dựng từ thực nghiệm vật lý 2.1. Định luật ma sát trượt. Lực ma sát trượt tĩnh xuất hiện ngăn cản sự trượt hoặc xu hướng trượt tương đối của hai vật tiếp xúc và thỏa mãn bất đẳng thức: 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 14/51
  15. Chương 4 Fms f. N trong đó, f là hệ số ma sát trượt tĩnh - đại lượng không thứ nguyên - đặc trưng cho bản chất vật lý của các mặt tiếp xúc; N là phản lực pháp tuyến. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 15/51
  16. Chương 4 2.2. Định luật ma sát lăn. Ngẫu lực ma sát lăn xuất hiện ngăn cản sự lăn tương đối giữa các vật tiếp xúc và thỏa l mãn bất đẳng thức: Mms k. N trong đó, k là hệ số ma sát lăn – thứ nguyên là chiều dài – đặc trưng cho bản chất vật lý của các vật tiếp xúc. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 16/51
  17. Chương 4 Định luật ma sát xoay cũng được phát biểu tương tự. 3. Cân bằng của các vật rắn chịu các liên kết có ma sát 3.1. Các bước giải bài toán cân bằng của vật chịu liên kết có ma sát. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 17/51
  18. Chương 4 Bước 1: Chọn vật khảo sát và giải phóng liên kết cho vật như bài toán khi chưa xét đến ma sát. Bước 2: Đặt thêm các lực, ngẫu lực ma sát. Cần xét xu hướng chuyển động của vật để xác định đúng chiều của lực, ngẫu lực ma sát. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 18/51
  19. Chương 4 Bước 3: Viết phương trình cân bằng cho hệ lực tác dụng lên vật (gồm cả các lực ma sát). Hơn nữa các lực ma sát phải thỏa mãn các BĐT ma sát. Bước 4: Giải hệ gồm các phương trình và các BPT. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 19/51
  20. Chương 4 Chú ý: Nghiệm của hệ gồm các phương trình và các bất phương trình là một miền nghiệm (thể hiện dưới dạng bất đẳng thức). Ví dụ 4.1 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 20/51
  21. Ví dụ 4.1 Một vật rắn nằm trên mặt phẳng không nhẵn có hệ số ma sát trượt f , nghiêng với mặt phẳng ngang một góc 1. Xác định góc để vật rắn cân bằng dưới  tác dụng của lực P hướng thẳng đứng xuống dưới và có giá trị lớn tùy ý 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 21/51
  22. Ví dụ 4.1  2. Giả sử lực P cho trước và vật chị tác dụng  của lực Q nằm ngang. Xác định góc để vật có thể trượt lên. f 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 22/51
  23. Ví dụ 4.1 Bài giải  N  f F ms P Khảo sát vật rắn cân bằng khi chỉ có lực hoạt  động P . 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 23/51
  24. Ví dụ 4.1 Vật rắn có xu hướng trượt xuống theo mặt phẳng nghiêng nên ngoài phản lực pháp   tuyến N , còn có lực ma sát F ms nằm dọc mặt phẳng nghiêng và hướng lên trên. Như vậy vật rắn nằm cân bằng dưới tác dụng    của hệ ba lực đồng quy PNF, , ms  0 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 24/51
  25. Ví dụ 4.1 Các phương trình cân bằng có dạng:  FFPx 0 ms sin 0  FNPy 0 cos 0 Ngoài ra nhờ định luật về ma sát trượt ta có Fms f. N Từ các phương trình cân bằng, ta có: FPNPms sin ; cos 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 25/51
  26. Ví dụ 4.1 Khi thay các giá trị vào bất đẳng thức trên ta có sin f cos hay tg f Ta sẽ nhận được dấu đẳng thức khi vật sắp sửa trượt. Giả sử ứng với trường hợp này góc lấy giá trị ,* ta có: 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 26/51
  27. Ví dụ 4.1 f tg * Nếu là góc ma sát tg f thì điều kiện cân bằng của vật trên mặt phẳng nghiêng còn có thể viết như sau:   Bây giờ ta xét trường hợp ngoài lực P vật  còn chịu tác dụng lực Q và vật có xu hướng trượt lên phía trên. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 27/51
  28. Ví dụ 4.1 Trong trường hợp này lực ma sát hướng dọc mặt phẳng nghiêng, hướng xuống phía dưới. Vật cân bằng dưới tác dụng của các lực hoạt   động PQ , và các lực liên kết gồm phản lực   pháp tuyến N và lực ma sát F ms . Ta có     PQNF, , , ms  0 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 28/51
  29. Ví dụ 4.1  f N  Q F ms P 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 29/51
  30. Ví dụ 4.1 Các phương trình cân bằng sẽ là:  FQPFx 0 cos sin ms 0  FNQPy 0 sin cos 0 Ta xét trường hợp vật sắp sửa trượt lên Từ định luật ma sát trượt ta có Fms fN Từ hai phương trình trên ta có 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 30/51
  31. Ví dụ 4.1 sin f cos QP cos f sin Cần thỏa mãn điều kiện Q>0, tức cos f sin 0 1 hay tg cot g f Vậy 2 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 31/51
  32. Ví dụ 4.1 Giả sử điều kiện này được thỏa mãn, vật có khả năng trượt lên phía trên nếu sin f cos QQP * cos f sin 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 32/51
  33. Ví dụ 4.2 Một thang đồng chất AB = 2l, trọng lượng P, tựa trên treenngang Ox và tường thẳng đứng Oy đều không nhẵn và có cùng hệ số ma sát trượt f. Xác định góc nghiêng α của thang với tường để thang cân bằng. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 33/51
  34. Ví dụ 4.2 y Xét thang cân bằng ở trạng B thái tới hạn (sắp sửa trượt). Ta nhận thấy góc càng lớn thì thang càng dễ bị O P A x trượt. Do đó góc . Ứng với trạng thái cân bằng giới hạn của thang sẽ có giá trị cực đại. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 34/51
  35. Ví dụ 4.2 Lực hoạt động tác dụng vào thang chỉ là trọng  lực P , các lực liên kết gồm các phản lực pháp    tuyến NN AB , , lực ma sát F A hướng theo  phương ngang về bên trái và lực ma sát FB hướng thẳng đứng lên phía trên. Vậy ta có hệ      lực cân bằng. PNNFF, ABAB , , ,  0 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 35/51
  36. Ví dụ 4.2  y F B B  NB  N A O P A x  FA Chọn hệ trục như hình vẽ. Ta có các phương trình cân bằng: 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 36/51
  37. Ví dụ 4.2  FNFx 0 B A 0  FNFPy 0 A B 0  m0 ( F ) 2 NAB l sin 2 N l cos Pl sin 0 Khi viết định luật ma sát trượt cho các liên kết tựa tại A và B ứng với trạng thái cân bằng giới hạn ta có: FAABB fN; F fN 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 37/51
  38. Ví dụ 4.2 Từ các phương trình vừa được thiết lập trên, ta tìm được: P P2 f N ; N f ; tg AB1 f2 1 f 2 1 f 2 Khi chú ý đến góc ma sát () tg f ta có 2tg tg 2 tg2 2 1 tg 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 38/51
  39. Ví dụ 4.2 Vì góc tìm được ứng với trạng thái cân bằng giới hạn của thang, nên đó là giá trị cực đại của góc Vậy điều kiện cân bằng của thang sẽ là: 2 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 39/51
  40. Ví dụ 4.3 Trên đường nằm ngang có con lăn đồng chất  bán kính R, trọng lượng P chịu lực đẩy Q theo phương ngang và cách mặt đường một đoạn h. Biết hệ số ma sát trượt f, hệ số ma  sát lăn k, tìm giá trị của lực Q để con lăn cân bằng. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 40/51
  41. Ví dụ 4.3  Q R o  h P Bài giải Khảo sát con lăn đang cân bằng, tức không trượt và không lăn 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 41/51
  42. Ví dụ 4.3 Hệ lực tác dụng lên con lăn gồm các lực hoạt   động Q và P , các lực liên kết: phản lực pháp   tuyến N , lực ma sát trượt F , ngẫu lực ma sát  lăn M . Ta có hệ lực cân bằng. Q R     o  QPNFM, , , ,  0 h M P  F  N 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 42/51
  43. Ví dụ 4.3 Khi viết các phương trình cân bằng và các bất đẳng thức ma sát lăn và ma sát trượt ta có:   FQFx 0 Q R FNPy 0 o   h  M P m( F ) M Qh 0  F F fN; M kN  N 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 43/51
  44. Ví dụ 4.3 Từ các phương trình cân bằng ta nhận được F Q; N P ; M Qh Vậy điều kiện để con lăn không bị trượt sẽ là: Q fP Còn điều kiện để con lăn không bị lăn sẽ có dạng: k QP h 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 44/51
  45. Ví dụ 4.3 k Thông thường f nên điều kiện không h lăn thường bị vi phạm trước, nghĩa là thông thường con lăn lăn trước khi trượt. Tuy nhiên với h quá bé có thể xảy ra trượt trước khi lăn. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 45/51
  46. Ví dụ 4.4 Trên mặt nằm ngang có bánh xe đồng chất tâm O bán kính R, trọng lượng P chịu tác  dụng ngẫu lực M và lực Q như hình vẽ. Biết hệ số ma sát trượt f, và hệ số ma sát lăn k.  Xác định trị số của mô men M và của lực Q để bánh xe có thể lăn không trượt. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 46/51
  47. Ví dụ 4.4  Q R O  M P Bài giải Khảo sát bánh xe đang cân bằng và sắp sửa lăn. 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 47/51
  48. Ví dụ 4.4  Q R O M  M1 P  F  N Hệ lực tác dụng lên bánh xe gồm ngẫu lực M    trọng lực P và lực Q , phản lực pháp tuyến N ,  lực ma sát trượt F , ngẫu lực ma sát lăn M1 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 48/51
  49. Ví dụ 4.4 Vì bánh xe đang cân bằng, nên ta có:     PQMNFM, , , , , 1  0 Các phương trình cân bằng sẽ là:  FFQx 0  FNPy 0  m1( F ) QR M 1 M 0 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 49/51
  50. Ví dụ 4.4 Từ hệ phương trình này ta nhận được: F Q; N P ; M1 M QR Như đã biết, điều kiện để bánh xe lăn được không trượt sẽ là: M1 kN; F fN M QR kP; Q fP M QR kP 1 Từ đó Q M kP fP Q fP R 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 50/51
  51. Ví dụ 4.4 M P() fR k QR kP M P() fR k Q fP M QR kP 09/03/2016 Ngô Văn Cường- HCM City University Of Industry 51/51