1.7: 마찰

1. 마찰계수를 측정합니다.

1. 각 블록에 1,000g 의 무게를 추가하고 추가 된 질량을 포함하여 블록 A및 B의 질량을 측정하는 스케일을 사용합니다.
2. 힘 스케일을 연결하여 A. 눈금을 수평으로 당기고 블록이 미끄러지기 시작하기 직전에 판독값을 기록합니다. 미끄러지기 시작하기 직전에 최대 양의 정적 마찰이 움직임에 저항합니다. 힘 판독값을 사용하여 블록 A를 계산합니다. 이 작업을 5번 수행하고 평균 값을 기록합니다.
3. 블록 B와 함께 1.2 단계를 반복합니다.
4. 일정한 속도로 테이블을 가로 질러 블록 A를 당깁니다. 속도가 일정하다면 스케일의 힘 판독은 마찰력과 같아야 합니다. 블록 A에 대해 계산합니다. 이 작업을 5번 수행하고 평균 값을 기록합니다.
5. 블록 B로 1.4 단계를 반복합니다.

2. 마찰의 힘에 무게의 효과.

1. 블록 B 위에 블록 A를 배치하고 평균 값을 결정하여 1.4번 단계를 반복합니다. 마찰력이 증가/감소하는 계수를 계산합니다.
2. 블록 B를 블록 A 위에 놓고 1.4단계를 5회 반복하여 평균 값을 결정합니다. 마찰력이 증가/감소하는 계수를 계산합니다.

3. 마찰의 힘에 표면적의 효과.

1. 블록 B를 팬의 테두리만 포함하는 측면에 돌립니다. 무게는 얼굴 업 측면의 상단에 배치해야합니다. 마찰의 힘을 측정하고 1.2 단계에서 측정된 값과 비교합니다. 마찰력이 증가/감소하는 계수를 계산합니다.

4. 안식의 각도.

1. 0°의 각도에서 시작하여 조정 가능한 경사 평면에 블록 A를 배치합니다. 블록이 미끄러지기 시작할 때까지 천천히 각도를 올립니다. 도용기를 사용하여 재구성 각도를 측정하고 방정식 3을 사용하여 블록이 미끄러지기 시작하기 직전에 정적 마찰계수를 계산합니다. 이 작업을 5번 수행하고 평균 값을 기록합니다.
2. 블록 B로 4.2 단계를 반복합니다.

마찰의 영향은 일상 활동에서 쉽게 관찰할 수 있지만 마찰을 제어하는 물리적 메커니즘은 복잡할 수 있습니다.

마찰은 물체가 표면과 접촉할 때 물체의 움직임에 반대하는 힘입니다. 미시적 수준에서는 접촉하는 물질의 표면 거칠기와 분자간 상호 작용으로 인해 발생합니다. 그러나 이 힘은 동일한 크기의 외력을 가함으로써 극복할 수 있습니다.

이 비디오의 목표는 실험실 환경에서 수평으로 미끄러지거나 경사면을 따라 미끄러지는 물체의 마찰을 측정하는 방법을 보여주는 것입니다.

프로토콜에 대해 알아보기 전에 마찰력의 이면에 있는 개념을 다시 살펴보겠습니다. 먼저 운동 마찰과 정적 마찰의 두 가지 유형의 마찰이 있다는 것을 알아야 합니다.

운동 마찰을 이해하려면 무한한 수평 얼음 장을 가로질러 미끄러지는 고무 튜브 안에 있다고 상상해 보십시오.

얼음은 매끄러운 표면으로 간주될 수 있지만 미시적 수준을 보면 마찰을 일으키는 두 표면 사이에 복잡한 상호 작용이 있습니다. 이러한 상호 작용은 표면 거칠기와 인력 간 분자력에 따라 달라집니다.

이 운동 마찰력의 크기는 운동 마찰 계수의 곱과 같습니다. K는 재료-표면 조합과 수직력 또는 물체와 표면을 함께 밀어내는 Fnorm에 따라 달라집니다.

Fnorm은 객체를 지지하는 역할을 하며 인터페이스에 수직입니다. 이 경우 튜브가 평평한 지면에 있기 때문에 Fnorm은 중력의 힘(mg)과 같고 반대입니다. 따라서 튜브와 결합된 질량과 고무와 얼음에 대한 운동 마찰 계수를 알고 있다면 마찰력을 쉽게 계산할 수 있습니다.

운동 마찰은 튜브의 운동 에너지의 일부를 열로 변환할 수 있으며 튜브의 운동량을 감소시켜 궁극적으로 튜브를 정지시킵니다.

이제 다른 유형의 마찰인 정적 마찰이 작용할 때입니다. 이 마찰력은 정지된 물체의 움직임에 반대하며 외력을 가하여 계산할 수 있습니다. 결국 물체를 움직이게 하는 가해진 힘은 최대 정력을 나타냅니다.

최대 정력에 대한 공식은 운동 마찰에 대한 공식과 동일하지만 정적 마찰 계수 ? S는 일반적으로 ? K는 동일한 재료-곡면 조합의 경우

최대 정력을 극복하는 또 다른 방법은 표면의 경사를 늘리는 것입니다. 어떤 각도에서 안식의 각도 또는 ? R, 경사면을 아래로 당기는 힘은 정적 마찰력과 같고 튜브가 미끄러지기 시작합니다. 안식각의 사인파에 중력을 곱한 값인 이 당기는 힘은 최대 정력과 같습니다. S는 m, g, ?R의 코사인의 곱을 곱합니다. 이 방정식을 재배열하면 정적 마찰 계수를 계산할 수 있습니다.

이제 마찰의 원리를 배웠으므로 이러한 개념을 적용하여 운동 마찰과 정적 마찰의 힘과 계수를 실험적으로 계산하는 방법을 살펴보겠습니다. 이 실험은 질량 스케일, 힘 스케일, 블록 1과 2로 표시되는 마찰 계수가 다른 두 개의 금속 팬, 조정 가능한 경사면, 두 개의 1000g 추 및 각도기로 구성됩니다.

각 블록에 1000g의 무게를 추가하고 저울을 사용하여 로드된 블록의 질량을 측정합니다.

포스 스케일을 블록 1에 연결한 후 스케일을 수평으로 당기고 블록이 미끄러지기 시작하기 직전의 힘 판독값을 확인합니다. 이 최대 정적 마찰력을 기록하고 이 측정을 5회 반복하여 여러 데이터 세트를 얻습니다. 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행하고 이러한 값을 기록합니다.

다음으로, 힘 스케일을 블록 1에 연결한 상태에서 스케일을 일정한 속도로 당기고 게이지의 운동 마찰력을 확인합니다. 이 측정을 5번 반복하여 여러 데이터 세트를 얻습니다. 다시 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행하고 이러한 값을 기록합니다.

이제 블록 1을 블록 2 위에 놓고 저울을 일정한 속도로 당겨 운동 마찰력을 측정합니다. 이 측정을 5번 반복하고 평균을 계산합니다. 그런 다음 블록 1 위에 있는 블록 2에 대해 동일한 절차를 수행합니다.

다음 실험에서는 더 작은 표면적이 테이블을 향하도록 블록 1을 돌리고 힘 스케일에 부착합니다. 이제 블록이 미끄러지기 시작하기 전에 힘을 기록하여 이전과 같이 정적 마찰력을 측정합니다. 이 측정을 5번 반복하여 여러 데이터 세트를 얻습니다.

마지막 실험에서는 처음에 0도 각도를 가진 평면이 있는 조정 가능한 경사 평면에 블록 1을 배치합니다. 비행기의 각도를 천천히 올리고 각도기를 사용하여 블록이 미끄러지기 시작하는 각도를 결정합니다. 다시 이 측정을 5회 반복하여 여러 데이터 세트를 얻고 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행합니다.

수평면에서 수행된 실험의 경우 블록에 가해지는 수직력은 무게, 즉 질량 곱하기 g와 같습니다. 정적 마찰 실험과 운동 마찰 실험에서 블록 1과 2의 질량이 동일하기 때문에 Fnorm은 네 가지 경우 모두에서 동일합니다. 다양한 실험에 대해 측정된 힘 값의 평균과 두 마찰에 대한 공식을 사용하여 마찰 계수를 계산할 수 있습니다.

예상대로 정적 마찰 계수는 운동 마찰 계수보다 큽니다. 또한, 두 블록에 대한 각각의 계수는 각각 다른 표면 거칠기를 갖기 때문에 다릅니다.

스택 블록 실험에서 우리는 두 경우 모두에서 질량이 두 배가 된다는 것을 알고 있으므로 새로운 Fnorm을 계산할 수 있습니다. 우리는 이미 표면과 접촉하는 블록에 대해 ?k를 알고 있습니다. 이를 사용하여 실험 중에 측정된 힘과 잘 일치하는 운동 마찰력을 계산할 수 있습니다.

블록 1의 방향 변화에 따라 측정된 마찰력은 접촉 표면적이 마찰력에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다. 계산된 힘과 측정된 힘 사이의 불일치는 일정한 속도를 유지하면서 힘 스케일을 읽는 것과 관련된 예상 오류와 일치합니다.

경사면 실험을 위해 안식각을 측정했습니다. 이 각도를 사용하여 정적 마찰 계수를 결정할 수 있으며, 여기서 값은 수평 슬라이딩 측정에서 측정된 계수와 유리하게 비교됩니다.

마찰에 대한 연구는 매우 유익할 수도 있고 최소화해야 하는 현상일 수도 있기 때문에 여러 응용 분야에서 중요합니다.

자동차 타이어 제조업체가 마찰을 연구하는 것은 타이어가 도로에서 견인력을 얻을 수 있도록 하기 때문에 매우 중요합니다. 따라서 비가 오면 도로의 물과 잔류 오일이 마찰 계수를 크게 줄여 미끄러짐과 사고가 발생할 가능성이 훨씬 높아집니다.

엔지니어는 자동차 타이어의 마찰을 증가시키기를 원하지만 일반적으로 엔진 및 기계의 마찰은 금속 간의 마찰로 인해 열을 발생시키고 구조를 손상시킬 수 있으므로 마찰을 줄이기를 원합니다. 따라서 엔지니어는 두 표면 사이의 마찰 계수를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 윤활유를 지속적으로 연구합니다.

JoVE의 Friction 소개를 시청했습니다. 이제 마찰의 크기에 영향을 미치는 요인, 다양한 유형의 마찰, 마찰을 제어하는 기본 물리적 메커니즘을 이해해야 합니다. 언제나 그렇듯이 시청해 주셔서 감사합니다!