1.7: Tarcie

1. Zmierz współczynniki tarcia.

1. Dodaj 1,000 g odważnika do każdego bloku i użyj wagi, aby zmierzyć masy bloków A i B, w tym dodaną masę.
2. Podłącz skalę siły do bloku A. Pociągnij wagę poziomo i zanotuj odczyt tuż przed tym, jak blok zacznie się przesuwać. Tuż przed tym, jak zacznie się ślizgać, maksymalne tarcie statyczne stawia opór ruchowi. Użyj odczytu siły, aby obliczyć dla bloku A. Zrób to pięć razy i zapisz średnią wartość.
3. Powtórz krok 1.2 z blokiem B.
4. Przeciągnij blok A po stole ze stałą prędkością. Jeśli prędkość jest stała, to odczyt siły na skali powinien być równy sile tarcia. Oblicz dla bloku A. Zrób to pięć razy i zapisz średnią wartość.
5. Powtórz krok 1.4 z blokiem B.

2. Wpływ ciężaru na siłę tarcia.

1. Umieść blok A na bloku B i powtórz krok 1.4 pięć razy, określając wartość średnią. Obliczyć współczynnik, o który zwiększyła się/zmniejszyła siła tarcia.
2. Umieść blok B na bloku A i powtórz krok 1.4 pięć razy, określając wartość średnią. Obliczyć współczynnik, o który zwiększyła się/zmniejszyła siła tarcia.

3. Wpływ pola powierzchni na siłę tarcia.

1. Obróć blok B na stronę, która zawiera tylko krawędź patelni. Obciążnik będzie musiał zostać umieszczony na górze strony zadrukowanej do góry. Zmierz siłę tarcia i porównaj ją z wartością zmierzoną w kroku 1.2. Obliczyć współczynnik, o który zwiększyła się/zmniejszyła siła tarcia.

4. Kąt usypu.

1. Umieść blok A na regulowanej płaszczyźnie nachylenia, zaczynając pod kątem 0°. Powoli zwiększaj kąt, aż klocek zacznie się ślizgać. Za pomocą kątomierza zmierz kąt usypu i użyj równania 3, aby obliczyć współczynnik tarcia statycznego tuż przed tym, jak blok zaczął się ślizgać. Zrób to pięć razy i zapisz średnią wartość.
2. Powtórz krok 4.2 z blokiem B.

Skutki tarcia można łatwo zaobserwować w codziennych czynnościach, a jednak mechanizmy fizyczne rządzące tarciem mogą być złożone.

Tarcie to siła, która przeciwstawia się ruchowi obiektu, gdy styka się on z powierzchnią. Na poziomie mikroskopowym jest to spowodowane chropowatością powierzchni materiałów stykających się i oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Ale można przezwyciężyć tę siłę, stosując siłę zewnętrzną o równej wielkości.

Celem tego filmu jest pokazanie, jak mierzyć tarcie w warunkach laboratoryjnych dla obiektów ślizgających się poziomo, a także w dół pochyłej płaszczyzny.

Zanim zagłębimy się w protokół, przyjrzyjmy się ponownie pojęciom stojącym za siłą tarcia. Po pierwsze, musisz wiedzieć, że istnieją dwa rodzaje tarcia - tarcie kinetyczne i tarcie statyczne.

Aby zrozumieć tarcie kinetyczne, wyobraź sobie, że znajdujesz się w gumowej rurze ślizgającej się po nieskończonym poziomym polu lodu.

Chociaż lód może być uważany za gładką powierzchnię, jeśli spojrzymy na poziom mikroskopowy, istnieją złożone interakcje między dwiema powierzchniami, które powodują tarcie. Oddziaływania te zależą od chropowatości powierzchni i przyciągających sił międzycząsteczkowych.

Wielkość tej siły tarcia kinetycznego jest równa iloczynowi współczynnika tarcia kinetycznego, czyli ? K, która zależy od kombinacji materiał-powierzchnia i siły normalnej, czyli Fnorm, która popycha do siebie obiekt i powierzchnię.

Fnorm działa w celu podparcia obiektu i jest prostopadły do interfejsu. W tym przypadku, ponieważ rura znajduje się na równym podłożu, Fnorm jest równy i przeciwny sile grawitacji, która wynosi mg. Dlatego, jeśli znasz łączną masę siebie z rurką oraz współczynnik tarcia kinetycznego dla gumy i lodu, możemy łatwo obliczyć siłę tarcia.

Tarcie kinetyczne może przekształcić część energii kinetycznej rury w ciepło, a także zmniejszy pęd rury, ostatecznie doprowadzając ją do spoczynku.

Teraz w grę wchodzi tarcie statyczne - drugi rodzaj tarcia. Ta siła tarcia przeciwdziała ruchowi obiektu statycznego i może być obliczona przez przyłożenie siły zewnętrznej. Przyłożona siła, która ostatecznie porusza obiektem, ujawnia maksymalną siłę statyczną.

Wzór na maksymalną siłę statyczną jest taki sam jak na tarcie kinetyczne, ale współczynnik tarcia statycznego ? S jest zazwyczaj większe niż ? K dla tej samej kombinacji materiał-powierzchnia.

Innym sposobem na pokonanie maksymalnej siły statycznej jest zwiększenie nachylenia powierzchni. Pod pewnym kątem, zwanym kątem spoczynku lub ? R, siła ciągnąca w dół zbocza będzie równa sile tarcia statycznego i rura zacznie się ślizgać. Ta siła ciągnąca, która jest sinusem kąta spoczynku pomnożonego przez siłę grawitacji, jest równa maksymalnej sile statycznej, która wynosi ? S razy iloczyn m, g i cosinus ?R. Przestawiając to równanie, możemy obliczyć współczynnik tarcia statycznego.

Teraz, gdy poznaliśmy zasady tarcia, zobaczmy, jak te koncepcje można zastosować do eksperymentalnego obliczania sił i współczynników tarcia zarówno kinetycznego, jak i statycznego. Eksperyment ten składa się ze skali masy, skali siły, dwóch metalowych szalek o różnych współczynnikach tarcia oznaczonych jako blok 1 i 2, regulowanej płaszczyzny nachylenia, dwóch odważników 1000 g i kątomierza.

Dodaj odważnik o wadze 1000 g do każdego bloku i użyj wagi, aby zmierzyć masy załadowanych bloków.

Po podłączeniu skali siły do bloku 1 pociągnij skalę poziomo i zanotuj odczyt siły tuż przed tym, jak klocek zacznie się przesuwać. Zapisz tę maksymalną siłę tarcia statycznego i powtórz ten pomiar pięć razy, aby uzyskać wiele zestawów danych. Wykonaj tę samą procedurę, używając bloku 2 i zapisz te wartości.

Następnie, ze skalą siły podłączoną do bloku 1, pociągnij skalę ze stałą prędkością i zwróć uwagę na siłę tarcia kinetycznego na mierniku. Powtórz ten pomiar pięć razy, aby uzyskać wiele zestawów danych. Ponownie wykonaj tę samą procedurę przy użyciu bloku 2 i zapisz te wartości.

Teraz umieść blok 1 na bloku 2 i pociągnij wagę ze stałą prędkością, aby określić siłę tarcia kinetycznego. Powtórz ten pomiar pięć razy i oblicz średnią. Następnie wykonaj tę samą procedurę z blokiem 2 na bloku 1.

W następnym eksperymencie obróć blok 1 tak, aby mniejsza powierzchnia była skierowana w stronę stołu i przymocuj go do skali siły. Teraz zmierz siłę tarcia statycznego jak poprzednio, zwracając uwagę na siłę, zanim blok zacznie się ślizgać. Powtórz ten pomiar pięć razy, aby uzyskać wiele zestawów danych.

W ostatnim eksperymencie umieść blok 1 na regulowanej płaszczyźnie nachylenia, tak aby płaszczyzna początkowo była pod kątem zera stopni. Powoli podnieś kąt płaszczyzny i użyj kątomierza, aby określić kąt, pod którym blok zaczyna się ślizgać. Ponownie powtórz ten pomiar pięć razy, aby uzyskać wiele zestawów danych i wykonaj tę samą procedurę, korzystając z bloku 2.

W przypadku doświadczeń wykonywanych na powierzchni poziomej siła normalna działająca na bloki jest równa masie, czyli masie pomnożonej przez g. Ponieważ masy bloków 1 i 2 zarówno dla eksperymentów tarcia statycznego, jak i kinetycznego są takie same, Fnorm jest taki sam we wszystkich czterech przypadkach. Korzystając ze średniej zmierzonych wartości siły dla różnych eksperymentów oraz wzorów dla obu tarć, można obliczyć współczynniki tarcia.

Zgodnie z oczekiwaniami współczynnik tarcia statycznego jest większy niż współczynnik tarcia kinetycznego. Ponadto odpowiednie współczynniki dla tych dwóch bloków są różne, ponieważ każdy z nich ma inną chropowatość powierzchni.

W eksperymencie z ułożonymi blokami wiemy, że masa podwaja się w obu przypadkach, więc możemy obliczyć nową Fnorm. Wiemy już ?k dla bloku stykającego się z powierzchnią. Na tej podstawie możemy obliczyć siłę tarcia kinetycznego, która dobrze zgadza się z siłą zmierzoną podczas eksperymentu.

Siła tarcia zmierzona po zmianie orientacji bloku 1 wykazała, że powierzchnia styku nie wpływa na siłę tarcia. Rozbieżności między obliczonymi a zmierzonymi siłami są zgodne z szacowanymi błędami związanymi z odczytem skali sił przy zachowaniu stałej prędkości.

W eksperymentach z nachyloną płaszczyzną zmierzono kąt uśpienia. Za pomocą tego kąta można było wyznaczyć współczynniki tarcia statycznego, a tutaj wartości wypadają korzystnie w porównaniu ze współczynnikami zmierzonymi z pomiarów poślizgu poziomego.

Badanie tarcia jest ważne w kilku zastosowaniach, ponieważ może być albo bardzo korzystne, albo zjawiskiem, które należy zminimalizować.

Niezwykle ważne jest, aby producenci opon samochodowych badali tarcie, ponieważ pozwala ono oponom uzyskać przyczepność na drodze. Dlatego, gdy pada deszcz, woda i resztki olejów na drodze znacznie zmniejszają współczynnik tarcia, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo poślizgnięć i wypadków.

Podczas gdy inżynierowie chcą zwiększyć tarcie w oponach samochodowych, w silnikach i maszynach ogólnie chcą je zmniejszyć, ponieważ tarcie między metalami może generować ciepło i uszkadzać ich struktury. Dlatego inżynierowie stale badają smary, które mogą pomóc w zmniejszeniu współczynnika tarcia między dwiema powierzchniami.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE'a do Friction. Powinieneś teraz zrozumieć, jakie czynniki przyczyniają się do wielkości tarcia, jakie są różne rodzaje tarcia i podstawowe mechanizmy fizyczne, które nim rządzą. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!