摩擦

摩擦の影響は日常の活動で容易に観察できますが、摩擦を支配する物理的メカニズムは複雑になる可能性があります。

摩擦とは、物体が表面に接触しているときに物体の動きに対抗する力です。微視的なレベルでは、接触している材料の表面粗さと分子間相互作用によって引き起こされます。しかし、大きさが等しい外力を加えることで、この力を克服することができます。

このビデオの目標は、傾斜面を水平にスライドする物体と傾斜面を下る物体の摩擦を実験室で測定する方法を示すことです。

プロトコルに飛び込む前に、摩擦力の背後にある概念を再検討してみましょう。まず、摩擦には動摩擦と静摩擦の2種類があることを知っておく必要があります。

動摩擦を理解するために、無限の水平氷場を横切って滑るゴム管の中にいると想像してください。

氷は滑らかな表面と思われがちですが、微視的なレベルで見ると、2つの表面の間には複雑な相互作用があり、摩擦を引き起こします。これらの相互作用は、表面の粗さと引力的な分子間力に依存します。

この運動摩擦力の大きさは、運動摩擦係数の積に等しくなりますか?Kは、材料と表面の組み合わせ、および物体と表面を一緒に押し出す垂直抗力、またはFnormに依存します。

Fnorm はオブジェクトをサポートするように動作し、インターフェイスに対して垂直です。この場合、チューブは平らな地面にあるため、Fnormは重力(mg)と等しく、反対になります。したがって、Uとチューブの合計質量、およびゴムと氷の動摩擦係数がわかっていれば、摩擦力を簡単に計算できます。

動摩擦は、チューブの運動エネルギーの一部を熱に変換し、チューブの運動量を減らして最終的に静止させます。

さて、ここで静的摩擦(他のタイプの摩擦)が作用します。この摩擦力は静止物体の動きに対抗し、外力を加えることで計算できます。最終的にオブジェクトを動かす力が加えられると、最大の静的力が明らかになります。

最大静的力の式は動摩擦式と同じですが、静摩擦係数は?通常、S は ?K は、同じ材料と表面の組み合わせを表します。

最大静的力を克服する別の方法は、表面の傾斜を大きくすることです。ある角度で、安息角または?Rの場合、斜面を引き下げる力は静摩擦力と等しくなり、チューブは滑り始めます。この引っ張り力は、安息角の正弦に重力を掛けたもので、最大静的力に等しくなります。m の s 倍積、g の積、および ?R の余弦。この方程式を並べ替えると、静摩擦係数を計算できます。

摩擦の原理を学習したところで、これらの概念を適用して、運動摩擦と静摩擦の両方の力と係数を実験的に計算する方法を見てみましょう。この実験は、質量スケール、フォーススケール、ブロック1とブロック2で示される摩擦係数の異なる2つの金属パン、調整可能な傾斜面、2つの1000gウェイト、および分度器で構成されています。

各ブロックに1000 gの重りを追加し、はかりを使用してロードされたブロックの質量を測定します。

フォーススケールをブロック1に接続した後、スケールを水平に引っ張り、ブロックがスライドし始める直前のフォースの読み取り値に注意してください。この最大静摩擦力を記録し、この測定を5回繰り返して複数のデータセットを取得します。ブロック 2 を使用して同じ手順を実行し、これらの値を記録します。

次に、フォーススケールをブロック1に接続した状態で、スケールを一定の速度で引っ張り、ゲージの動摩擦力をメモします。この測定を5回繰り返して、複数のデータセットを取得します。再度、ブロック 2 を使用して同じ手順を実行し、これらの値を記録します。

次に、ブロック1をブロック2の上に置き、スケールを一定の速度で引っ張って動摩擦力を決定します。この測定を5回繰り返して、平均を計算します。次に、ブロック 1 の上にブロック 2 を置いて同じ手順を実行します。

次の実験では、小さい方の表面積がテーブルを向くようにブロック 1 を回転させ、力スケールに取り付けます。次に、ブロックが滑り始める前の力をメモして、以前と同様に静的摩擦力を測定します。この測定を5回繰り返して、複数のデータセットを取得します。

最後の実験では、ブロック 1 を調整可能な傾斜面に配置し、平面を最初に 0 度の角度にします。平面の角度をゆっくりと上げ、分度器を使用してブロックが滑り始める角度を決定します。再度、この測定を 5 回繰り返して複数のデータ セットを取得し、ブロック 2 を使用して同じ手順を実行します。

水平面で行われた実験では、ブロックにかかる垂直抗力は、重量、つまり質量×gに等しくなります。静摩擦実験と動摩擦実験の両方でブロック 1 と 2 の質量は同じであるため、Fnorm は 4 つのケースすべてで同じです。さまざまな実験で測定された力の値の平均と、両方の摩擦の式を使用して、摩擦係数を計算できます。

予想通り、静摩擦係数は動摩擦係数よりも大きくなります。さらに、2つのブロックのそれぞれの係数は、それぞれが異なる表面粗さを持っているため、異なります。

スタックブロックの実験では、どちらの場合も質量が2倍になることがわかっているため、新しいFnormを計算できます。表面と接触しているブロックの ?k はすでにわかっています。これを使用して、運動摩擦力を計算でき、実験中に測定された力とよく一致します。

ブロック1の向きを変えた後に測定された摩擦力は、接触表面積が摩擦力に影響を与えないことを示しました。計算された力と測定された力の間の不一致は、一定の速度を維持しながら力スケールを読み取ることに関連する推定誤差と一致しています。

傾斜面実験では、安息角を測定しました。この角度を使用して、静摩擦の係数を決定することができ、ここでは、値は水平スライド測定から測定された係数と良好に比較されます。

摩擦の研究は、非常に有益であるか、最小限に抑えなければならない現象であるため、いくつかのアプリケーションで重要です。

自動車タイヤメーカーにとって、タイヤが道路でトラクションを得ることを可能にするため、摩擦を研究することは非常に重要です。そのため、雨が降ると、道路上の水や残留油分が摩擦係数を大幅に減少させ、滑走や事故の可能性が高くなります。

エンジニアは車のタイヤの摩擦を増やしたいと考えていますが、エンジンや機械全般では、金属間の摩擦が熱を発生させて構造を損傷する可能性があるため、摩擦を減らしたいと考えています。したがって、エンジニアは、2つの表面間の摩擦係数を減らすのに役立つ可能性のある潤滑剤を常に研究しています。

JoVEのFrictionの紹介を見ました。これで、摩擦の大きさに寄与する要因、さまざまな種類の摩擦、および摩擦を支配する根本的な物理的メカニズムを理解する必要があります。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!