摩擦

Physics I

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Overview

ソース:ニコラス ・ ティモンズ、 Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州

この実験の目的は、摩擦 (すなわち、静的および動的) の 2 つのタイプの物理的な性質を調べることです。オブジェクトを水平方向にスライドだけでなく、傾斜面を摩擦係数の測定手順が含まれます。

摩擦が完全に理解されていないが、それは実験的にオブジェクトに及ぼす垂直力に比例すると決定します。場合は顕微鏡が接触している 2 つのサーフェスにズームインすると、その表面が非常に小さな規模で大まかなことが明らかになります。これは表面が過去の別の 1 つ簡単にスライドすることを防ぎます。粗面の効果を組み合わせて材料の原子の間の電気力摩擦力を説明するかもしれない。

摩擦の 2 つの種類があります。静的な摩擦オブジェクトが動いていないと、いくつかの力、モーションでそのオブジェクトを取得する必要があります。オブジェクトは既に移動が摺動面間の摩擦により減速時摩擦があります。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 I. 摩擦. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Figure 1
図 1。

図 1は、水平方向の平面上にあるオブジェクトに作用する 4 つの力を示しています。Equation 1いくつか水平力に対応します。Equation 2が均等にしかし反対の方向で正常な力によって一致するオブジェクトに重力の力をEquation 3。正常な力は、重力に対抗してオブジェクトの機能面の結果です。正常な力は、なぜ本は単に該当しないについて説明しますそれは休憩時にテーブルを使用します。最後に、摩擦力は、応用力に反対Equation 4。摩擦力は垂直力に比例。

Equation 5(関係式 1)

どこEquation 11摩擦係数です。

摩擦係数は、実験的に測定する必要があり、接触している 2 つの材料に依存するプロパティです。摩擦係数の 2 種類があります: 動摩擦係数Equation 11オブジェクトが既にモーション、および静的な摩擦の場合、Equation 10オブジェクトの残りの部分し、移動させる力の一定量を必要とするとき。オブジェクトのパスに沿ってスライドさせ、正常な力は重さと等しいEquation 6オブジェクトの。したがって、摩擦力係数とオブジェクトの質量のみに依存します。

傾斜面の場合は、その後、正常な力のオブジェクトがある場合Equation 3が傾斜に対して垂直と等しい重量に反対ではないEquation 6図 2で見ることができます。

Figure 2
図 2。

この場合のコンポーネントのみEquation 6角度 θ によって、正常な力と同等です。

Equation 7.(式 2)

安息角Equation 8、オブジェクトに重力の力を克服する静的な摩擦力、傾斜面上をスライドにオブジェクトを開始ポイントとして定義されています。安息角度の良い近似であります。

Equation 9.(式 3)

この演習では摩擦係数が異なる材料を表す 2 つの金属製の鍋が使用されます。A ブロックでお越しの際にも砂のペーパーの下、B ブロックは滑らかな金属の底を持っている間摩擦のより高い係数になります。

Procedure

1. 摩擦係数を測定します。

  1. 各ブロックに 1,000 g を追加し、使用規模が A と B の付加質量を含むブロックの質量を測定します。
  2. A. プル スケールを水平方向にブロックし、ブロックがスライドを開始する直前に読書に注意してくださいに力のスケールに接続します。直前にスライドし始めると、静的な摩擦の最大量は動きに抵抗します。計算する力を利用してEquation 10ブロック A の5 回行い、平均値を記録します。
  3. 手順 1.2 ブロック B. を繰り返します
  4. 一定の速度でテーブルを挟んで A ブロックを引っ張る。速度が一定の場合スケールで読む力が摩擦力と等しいはずです。計算Equation 11ブロック A の5 回行い、平均値を記録します。
  5. 手順 1.4 ブロック B. を繰り返します

2. 重量の摩擦力に与える影響。

  1. 場所ブロック A ブロック B と手順 1.4 上に 5 倍、平均値を決定します。増加・減少、摩擦力係数を計算します。
  2. 場所ブロック B ブロック上に手順 1.4 5 回の平均値を決定するとします。増加・減少、摩擦力係数を計算します。

3. 摩擦力の表面積の影響。

  1. 鍋の縁のみが含まれている側に B ブロックをオンにします。重量は、フェイス アップ側の上に配置する必要があります。摩擦力を測定し、ステップ 1.2 で測定された値と比較します。増加・減少、摩擦力係数を計算します。

4. 安息角。

  1. 0 ° の角度で調節可能な傾斜面に A ブロックを配置します。ブロックがスライドを開始するまで、ゆっくりと角度を上げます。分度器を使用して、安息角を測定し、式 3でスライドするブロックを開始する直前の静止摩擦係数を計算します。5 回行い、平均値を記録します。
  2. 手順 4.2 ブロック B. を繰り返します

摩擦の影響が簡単に日常の活動において、まだ摩擦を支配する物理的メカニズムが複雑なことができます。

摩擦は、ときに表面に接触している物体の運動に反対する力です。顕微鏡のレベルでそれが連絡先および分子間相互作用の材料の表面粗さによって引き起こされます。しかし、この力の大きさに等しい外部力の適用によって克服できます。

このビデオの目標は、水平方向にスライドのオブジェクトだけでなく、傾斜面上をラボ環境で摩擦を測定する方法を示すことです。

プロトコルについて説明する前に、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・動摩擦・静摩擦の 2 つのタイプがあることを知ってする必要があります。

摩擦を理解するには、氷の無限水平フィールド上を滑るゴム管は、想像してください。

氷は、我々 は顕微鏡レベルで見る場合滑らかな表面と考えられることが、摩擦を引き起こす 2 つのサーフェス間の複雑な相互作用があります。これらの相互作用は、表面粗さと魅力的な分子間力によって異なります。

この摩擦力の大きさは、オブジェクト、および表面に一緒にプッシュ Fnorm または μK は、材料表面の組み合わせおよび正常な力に依存している動摩擦係数の積に等しいです。

Fnorm はオブジェクトをサポートする機能、インターフェイスに垂直です。この場合、チューブは、平らな地面には、以来、Fnorm は等しいと反対のmgである重力の力。したがって、あなたの管との結合された質量とゴムと氷の摩擦係数を知っている場合摩擦力を簡単に計算できます。

動摩擦係数は管の運動エネルギーの一部を熱に変換することができ、残りの部分に最終的にそれをもたらす管の運動量も減ります。

今、これは、静的摩擦 - 他のタイプの摩擦 - の出番します。この摩擦力は、静的オブジェクトの動きに反対し、外部の力を適用することによって計算することができます。オブジェクトを最終的に移動力最大静的力.を明らかにします。

最大静的力数式動摩擦の 1 つとして同じですが、μ S 静的な摩擦の係数は通常同じ材料表面の組み合わせの μK よりも大きい。

最大の静的な力を克服するために別の方法は、サーフェスの勾配を増加によるもの。いくつかの角度で休息または θR のアングルと呼ばれる、斜面の下を引っ張る力は静的な摩擦力を等しくなります、チューブがスライドを開始します。この引き合う力は、重力の力回安息角の正弦である、 mg、および θR のコサインの μ S 回製品は、最大の静的な力に等しくなります。この方程式を並べ替えて、静的な摩擦の係数を計算できます。

摩擦の原理を学んだ、これらの概念を適用して実験的力と運動と静的な摩擦の係数を計算する方法を見てみましょう。この実験は、ブロック 1 と 2 として表される異なる摩擦係数と質量スケール、フォース ゲージ、2 つの金属鍋で構成されています、調節可能な傾斜平面、2 つの 1000 g のウェイトと分度器。

各ブロックに 1000 g を追加し、スケールを使用して、読み込まれたブロックの質量を測定します。

1 をブロックする力規模を接続すると、スケールを水平方向に引っ張るし、ブロックがスライドを開始する直前に、力の読書に注意してください。この最大静止摩擦力を記録し、複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。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、ブロック 1、スケールを一定の速度で引くし、動摩擦に注意してくださいに接続されている力のスケールとゲージを強制します。複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。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。

今、ブロック 1 ブロック 2 の上に、摩擦力を決定するための一定の速度でスケールを引き出します。この測定を 5 回繰り返すし、平均値を計算します。第 1 ブロックの上にブロック 2 と同じ手順を行います。

次の実験では、その表面積が小さく、テーブルに直面しているブロック 1 にし、フォース ゲージに添付します。今ブロックがスライドを開始する前に力のメモを作る前に静的な摩擦力を測定します。複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。

最後の実験では、調節可能な傾斜平面を 0 度の角度で最初平面にブロック 1 を配置します。ゆっくりと平面の角度を上げるし、分度器を使用してブロックがスライドを開始する角度を決定します。また、複数のデータ セットを取得、ブロック 2 を使用して同じ手順を実行してこの測定 5 回を繰り返します。

水平面上の実験のブロックの正常な力は、重量に等しい質量回g。ブロック 1 と 2 両方の静的および動的摩擦の実験のための質量は同じなので、Fnorm はすべての 4 つのケースで同じです。様々 な実験と両方の摩擦のための公式の測定力の値の平均を使用して、摩擦係数を計算できます。

予想通りの静摩擦係数は動摩擦係数よりも大きいです。さらに、彼らはそれぞれが異なる表面粗さを所有しているので、2 つのブロックのそれぞれの係数は異なります。

積層ブロック実験で我々 は、我々 は新しい Fnorm を計算することができますので、両方のケースで質量が 2 倍と知っています。我々 はすでに表面に接触ブロックの μk を知っています。動摩擦力を計算することができますこれを使用して、実験中に測定された力と一致します。

ブロック 1 の向きの変化に続く摩擦力測定は、接触面積が摩擦力に影響を与えないことを示した。計算と実測値との間の不一致は、一定の速度を維持しながら力のスケールを読み取りに関連する推定誤差と一致しています。

傾斜面の実験のための安息角を測定しました。この角度を使用して、静的な摩擦の係数を決定できるとここで値は水平すべり測定から測定係数と好意的に比較します。

勉強の摩擦は、どちらかの非常に有益なまたは最小化する必要があります現象をすることができますいくつかのアプリケーションで重要です。

それにより、道路上でトラクションを得るためにタイヤ摩擦を勉強する自動車タイヤ メーカーにとって非常に重要です。したがって、雨が降ると水と道路上の残油と大幅に削減の摩擦係数、スライドを作る大いに本当らしい事故。

車のタイヤの摩擦を高めるためにエンジニアがしたい、エンジンや機械の一般的に欲しい金属間摩擦熱を生成し、その構造に損傷を与えるとそれを軽減します。したがって、エンジニアは常に 2 つの表面間の摩擦係数の減少で助けるかもしれない潤滑剤を研究します。

ちょうど摩擦するゼウスの導入を見た。あなたは今要因摩擦、摩擦の種類とそれを支配する基になる物理的なメカニズムの大きさを理解してください。いつも見てくれてありがとう!

Results

テーブル 1。摩擦係数。

ブロック Equation 10 Equation 11
A 0.68 0.60
B 0.52 0.47

表 2。摩擦力の重さや表面積の効果.

測定 Equation 4
(N)
拡大または縮小が要因
A ブロック B 16 Equation 4から手順 1.4 = 2.3
B ブロック A 14 Equation 4から 1.5 = 2.5 ステップ
小さな面積 5 Equation 4から 1.4 = 0.9 のステップ

表 3。安息角

ブロック 安息角Equation 12
(°)
Equation 10
A 30 0.58
B 24 0.45

実験から得られた結果は、方程式 12によってなされる予言を一致させます。ステップ 1 で、静摩擦は動摩擦よりも大きかった。これは常に場合より多くの力はオブジェクトが既に動きのないときに摩擦を克服するために必要です。ステップ 2 で、摩擦力の両方のブロックの重量とテーブルとの接触ブロックの動摩擦係数に比例したことがわかった。ステップ 3 の結果は、表面積が摩擦力に影響を与えないことを確認します。手順 4 で、安息角は式 3で近似できます。演習に関連付けられているエラーは、スライド式のブロックを一定の速度を維持しながら力のスケールを読みの難しさから来ています。複数回の測定と平均を計算する、この効果を減らすことが。

Applications and Summary

摩擦は、私たちの日常生活の中でどこでもです。実際には、それなしで歩くできないでしょう。誰かは、摩擦面に歩いてみました、彼はどこにも行くでしょう。前方に彼を推進する地面に対して彼の筋肉のプッシュとして彼の足の裏と地面の間の摩擦だけであります。

業界のほぼすべての側面では、エンジニアは摩擦を減らすためにしようとしています。2 つのサーフェスが接触、摩擦が常にあるありますが。これは誰かはすぐに一緒に彼女の手をこすりとき感じた熱などの熱の形をとることができます。産業用アプリケーションでこの暑さはマシンを破壊することができます。摩擦力は物体の動きに反対して完了の機械操作を遅らせることができます。したがって、潤滑剤のような物質は 2 つの表面間の摩擦係数を減少させるためとしています。

表 4。摩擦係数の例。

材料 Equation 11
木の上の木 0.2
真鍮鋼 0.44
コンクリートのゴム 0.8
潤滑玉軸受 < 0.01

この実験では、2 つの異なるスライディング ブロックの静的および動的摩擦係数を測定しました。表面積の影響とともに、摩擦の力で質量の効果を検討しました。最後に、傾斜した平板上のブロックの安息角を測定しました。

1. 摩擦係数を測定します。

  1. 各ブロックに 1,000 g を追加し、使用規模が A と B の付加質量を含むブロックの質量を測定します。
  2. A. プル スケールを水平方向にブロックし、ブロックがスライドを開始する直前に読書に注意してくださいに力のスケールに接続します。直前にスライドし始めると、静的な摩擦の最大量は動きに抵抗します。計算する力を利用してEquation 10ブロック A の5 回行い、平均値を記録します。
  3. 手順 1.2 ブロック B. を繰り返します
  4. 一定の速度でテーブルを挟んで A ブロックを引っ張る。速度が一定の場合スケールで読む力が摩擦力と等しいはずです。計算Equation 11ブロック A の5 回行い、平均値を記録します。
  5. 手順 1.4 ブロック B. を繰り返します

2. 重量の摩擦力に与える影響。

  1. 場所ブロック A ブロック B と手順 1.4 上に 5 倍、平均値を決定します。増加・減少、摩擦力係数を計算します。
  2. 場所ブロック B ブロック上に手順 1.4 5 回の平均値を決定するとします。増加・減少、摩擦力係数を計算します。

3. 摩擦力の表面積の影響。

  1. 鍋の縁のみが含まれている側に B ブロックをオンにします。重量は、フェイス アップ側の上に配置する必要があります。摩擦力を測定し、ステップ 1.2 で測定された値と比較します。増加・減少、摩擦力係数を計算します。

4. 安息角。

  1. 0 ° の角度で調節可能な傾斜面に A ブロックを配置します。ブロックがスライドを開始するまで、ゆっくりと角度を上げます。分度器を使用して、安息角を測定し、式 3でスライドするブロックを開始する直前の静止摩擦係数を計算します。5 回行い、平均値を記録します。
  2. 手順 4.2 ブロック B. を繰り返します

摩擦の影響が簡単に日常の活動において、まだ摩擦を支配する物理的メカニズムが複雑なことができます。

摩擦は、ときに表面に接触している物体の運動に反対する力です。顕微鏡のレベルでそれが連絡先および分子間相互作用の材料の表面粗さによって引き起こされます。しかし、この力の大きさに等しい外部力の適用によって克服できます。

このビデオの目標は、水平方向にスライドのオブジェクトだけでなく、傾斜面上をラボ環境で摩擦を測定する方法を示すことです。

プロトコルについて説明する前に、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・動摩擦・静摩擦の 2 つのタイプがあることを知ってする必要があります。

摩擦を理解するには、氷の無限水平フィールド上を滑るゴム管は、想像してください。

氷は、我々 は顕微鏡レベルで見る場合滑らかな表面と考えられることが、摩擦を引き起こす 2 つのサーフェス間の複雑な相互作用があります。これらの相互作用は、表面粗さと魅力的な分子間力によって異なります。

この摩擦力の大きさは、オブジェクト、および表面に一緒にプッシュ Fnorm または μK は、材料表面の組み合わせおよび正常な力に依存している動摩擦係数の積に等しいです。

Fnorm はオブジェクトをサポートする機能、インターフェイスに垂直です。この場合、チューブは、平らな地面には、以来、Fnorm は等しいと反対のmgである重力の力。したがって、あなたの管との結合された質量とゴムと氷の摩擦係数を知っている場合摩擦力を簡単に計算できます。

動摩擦係数は管の運動エネルギーの一部を熱に変換することができ、残りの部分に最終的にそれをもたらす管の運動量も減ります。

今、これは、静的摩擦 - 他のタイプの摩擦 - の出番します。この摩擦力は、静的オブジェクトの動きに反対し、外部の力を適用することによって計算することができます。オブジェクトを最終的に移動力最大静的力.を明らかにします。

最大静的力数式動摩擦の 1 つとして同じですが、μ S 静的な摩擦の係数は通常同じ材料表面の組み合わせの μK よりも大きい。

最大の静的な力を克服するために別の方法は、サーフェスの勾配を増加によるもの。いくつかの角度で休息または θR のアングルと呼ばれる、斜面の下を引っ張る力は静的な摩擦力を等しくなります、チューブがスライドを開始します。この引き合う力は、重力の力回安息角の正弦である、 mg、および θR のコサインの μ S 回製品は、最大の静的な力に等しくなります。この方程式を並べ替えて、静的な摩擦の係数を計算できます。

摩擦の原理を学んだ、これらの概念を適用して実験的力と運動と静的な摩擦の係数を計算する方法を見てみましょう。この実験は、ブロック 1 と 2 として表される異なる摩擦係数と質量スケール、フォース ゲージ、2 つの金属鍋で構成されています、調節可能な傾斜平面、2 つの 1000 g のウェイトと分度器。

各ブロックに 1000 g を追加し、スケールを使用して、読み込まれたブロックの質量を測定します。

1 をブロックする力規模を接続すると、スケールを水平方向に引っ張るし、ブロックがスライドを開始する直前に、力の読書に注意してください。この最大静止摩擦力を記録し、複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。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、ブロック 1、スケールを一定の速度で引くし、動摩擦に注意してくださいに接続されている力のスケールとゲージを強制します。複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。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。

今、ブロック 1 ブロック 2 の上に、摩擦力を決定するための一定の速度でスケールを引き出します。この測定を 5 回繰り返すし、平均値を計算します。第 1 ブロックの上にブロック 2 と同じ手順を行います。

次の実験では、その表面積が小さく、テーブルに直面しているブロック 1 にし、フォース ゲージに添付します。今ブロックがスライドを開始する前に力のメモを作る前に静的な摩擦力を測定します。複数のデータ セットを取得するこの測定 5 回を繰り返します。

最後の実験では、調節可能な傾斜平面を 0 度の角度で最初平面にブロック 1 を配置します。ゆっくりと平面の角度を上げるし、分度器を使用してブロックがスライドを開始する角度を決定します。また、複数のデータ セットを取得、ブロック 2 を使用して同じ手順を実行してこの測定 5 回を繰り返します。

水平面上の実験のブロックの正常な力は、重量に等しい質量回g。ブロック 1 と 2 両方の静的および動的摩擦の実験のための質量は同じなので、Fnorm はすべての 4 つのケースで同じです。様々 な実験と両方の摩擦のための公式の測定力の値の平均を使用して、摩擦係数を計算できます。

予想通りの静摩擦係数は動摩擦係数よりも大きいです。さらに、彼らはそれぞれが異なる表面粗さを所有しているので、2 つのブロックのそれぞれの係数は異なります。

積層ブロック実験で我々 は、我々 は新しい Fnorm を計算することができますので、両方のケースで質量が 2 倍と知っています。我々 はすでに表面に接触ブロックの μk を知っています。動摩擦力を計算することができますこれを使用して、実験中に測定された力と一致します。

ブロック 1 の向きの変化に続く摩擦力測定は、接触面積が摩擦力に影響を与えないことを示した。計算と実測値との間の不一致は、一定の速度を維持しながら力のスケールを読み取りに関連する推定誤差と一致しています。

傾斜面の実験のための安息角を測定しました。この角度を使用して、静的な摩擦の係数を決定できるとここで値は水平すべり測定から測定係数と好意的に比較します。

勉強の摩擦は、どちらかの非常に有益なまたは最小化する必要があります現象をすることができますいくつかのアプリケーションで重要です。

それにより、道路上でトラクションを得るためにタイヤ摩擦を勉強する自動車タイヤ メーカーにとって非常に重要です。したがって、雨が降ると水と道路上の残油と大幅に削減の摩擦係数、スライドを作る大いに本当らしい事故。

車のタイヤの摩擦を高めるためにエンジニアがしたい、エンジンや機械の一般的に欲しい金属間摩擦熱を生成し、その構造に損傷を与えるとそれを軽減します。したがって、エンジニアは常に 2 つの表面間の摩擦係数の減少で助けるかもしれない潤滑剤を研究します。

ちょうど摩擦するゼウスの導入を見た。あなたは今要因摩擦、摩擦の種類とそれを支配する基になる物理的なメカニズムの大きさを理解してください。いつも見てくれてありがとう!

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