半自動化摩擦力測量裝置設計

程路洋,蘭天龍，李 明，王法社

(臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276005)

摩擦力是物理學中的一種基本作用力，摩擦力的測量是物理學中研究的一個重點。傳統的摩擦力測量方法，利用彈簧測力計，通過最簡便的方法測量摩擦力，由于讀數不穩定，速度無法精確控制，造成實驗誤差較大，測量原理如圖1所示。后來很快有人利用牛頓第三定律，對測量方法進行了如圖2所示的改進[1-4]，使測量中的不可控因素得到了改善，再后來出現了電動牽引法、重物牽引法、單片機牽引法等新的測量摩擦力的方法[5]，但也都存在實驗誤差較大，實驗數據不穩定的弊端。對于摩擦力的測量，人們一直在不斷地探索，卻始終未能達到最好的效果。為了能夠更加精確簡便地測量摩擦力，設計了一種半自動化摩擦力測量的新裝置。該裝置由直流有刷電機結合調速板控制速度，利用拉力傳感器結合數字量變送器實現數據的自動化傳輸。

圖1 較早的傳統摩擦力實驗示意圖

圖2 改進后的傳統摩擦力示意圖

1 設計原理

該半自動化摩擦力測量裝置由動力裝置模塊、摩擦發生模塊和數據采集模塊構成，如圖3，它可以實現摩擦力發生裝置的簡便操作和將數據轉化后傳輸到電腦端直觀顯示。

圖3 模塊組成圖

動力裝置模塊中電動機轉動拉動摩擦發生模塊中的小車運動，調速板控制速度，開關控制電機轉動方向。小車上的吊環與電動機上的轉輪經細線相連，實現兩模塊之間的連接。木板與木塊置于小車之中，木塊置于遠離拉力傳感器一側，其上的吊環通過細線與拉力傳感器上的吊環相連，實現數據的傳輸，木塊和拉力傳感器與地面保持相對靜止。拉力傳感器感應到的數據通過數字量變送器和USB轉換器以二進制的形式輸入到電腦端，在電腦上直觀顯示。

1.1 摩擦發生模塊

將鐵質光滑軌道置于木質平臺上，設計一個帶有四個輪子的小車置于軌道之上。小車上部帶有四顆下壓式緊固螺絲，同時將螺絲磨平連接橡膠墊，以確保可以壓緊測量物體且不損壞實驗材料。將所需測量的材料置于小車之中，以木板與木塊說明。木板通過緊固螺絲壓緊到小車之中，木塊置于木板一側與拉力傳感器相連。該模塊設計保持了各處較光滑，小車滑動順滑，摩擦力基本穩定，便利于接下來的勻速直線運動，同時通過緊固螺絲壓緊木板，方便更換物體，方便測量不同物體之間的摩擦力，其實物圖如圖4所示。

圖4 摩擦發生裝置實物圖

1.2 數據采集模塊

連接電源開關后，拉力傳感器感應得到數據，通過數字量變送器傳輸到USB轉換器，將數據以二進制的形式傳入到電腦端。上位機軟件通過數據處理將數據以圖表的形式直觀顯示在電腦上，包括數字圖表，峰值和實時值等，其原理示意圖如圖5所示。拉力傳感器通過熱熔膠固定于升降臺上，升降臺便于調節高度，使拉力傳感器和實驗材料保持同一高度。該拉力傳感器為JLBS-1S型拉力傳感器，量程500 g,額定電壓24 V[6]。數字變送器為BSD-DG型,將傳感器采集的各種信號轉換為4～20 mA的電流信號和數字信號，并通過RS485總線與上位機通信。配合上位機軟件，可以實現數據顯示，百分比顯示，零點校正，顯示校正，設置量程，設置小數點位置等基本功能。該數字量變送器需要輸入mV級電壓信號，工作溫度為-10～70 ℃[7]。

圖5 數據采集流程圖

1.3 動力裝置模塊

圖6 動力裝置流程圖

2 實驗操作和實驗結果

將三個模塊相連后，檢查接線正確，連通12 V和24 V電源，上位機軟件零點校準，開關調至2檔，小車和木塊發生相對運動，得到一次實驗結果。重復實驗，得到多次實驗結果。選取小木塊和木板作為實驗材料，木塊質量為0.317 8 kg，多次測量數據取平均值μ1=0.215 8，其中取g=9.8 m/s2，測量結果如圖7所示。

圖7 無額外質量下的摩擦力測量結果圖

由于摩擦材料的測量缺乏標準數據對比，采用傳統方法和在現有裝置上增加質量的方法對數據進行對比。木塊上增加了0.105 4 kg砝碼，M2=0.423 2 kg，μ2測得平均值為0.219 1，具體測量結果見圖8。

圖8 附加額外質量下的摩擦力測量結果圖

兩個實驗的實驗數據誤差在1.5%范圍以內，在誤差允許范圍內可認為驗證實驗裝置的準確性。第一個時間點和第二個時間點摩擦力測量值的陡降是由于電機剛拖動小車運動的瞬間，牽引力大于摩擦力；當小車勻速運動時，牽引力等于摩擦力，數據變化平緩。

用傳統的摩擦力測量方法，測得勻速狀態下，當物塊質量M1=0.317 8 kg時，彈簧測力計的拉力為0.66 N，摩擦系數μ=0.211 9，與上述實驗結果對比，誤差為1.8%，在誤差允許范圍內可認為驗證實驗裝置的準確性。

3 結 語

本裝置是基于拉力傳感器、直流有刷電機等現代科技所制作的一套半自動化摩擦力測量新裝置。通過傳統摩擦力實驗和現有裝置對比實驗數據比較，對結果進行測試，可驗證數據的準確性。裝置解決了傳統實驗測量方法的不足，與傳統摩擦力測量方法相比，具有操作簡便、數據可直觀顯示、精度高等優點。該裝置可應用于物理教學，便于學生加深對于摩擦力的理解，也可應用于工廠生產，便利不同物體之間摩擦力的測量。