1.7: Sürtünme

1. Sürtünme katsayılarını ölçün.

1. Her bloğa 1.000 g'lık bir ağırlık ekleyin ve eklenen kütle de dahil olmak üzere A ve B bloklarının kütlelerini ölçen bir ölçek kullanın.
2. Kuvvet ölçeğini A bloğuna bağlayın. Ölçeği yatay olarak çekin ve blok kaymaya başlamadan hemen önce okumayı not edin. Kaymaya başlamadan hemen önce, maksimum statik sürtünme miktarı harekete direniyor. A bloğu için hesaplamak için kuvvet okumasını kullanın. Bunu beş kez yapın ve ortalama değeri kaydedin.
3. Adım 1.2'yi B bloğu ile tekrarlayın.
4. A bloğunu masanın üzerinden sabit bir hızda çekin. Hız sabitse, ölçek üzerinde okunan kuvvet sürtünme kuvvetine eşit olmalıdır. A bloğu için hesaplayın. Bunu beş kez yapın ve ortalama değeri kaydedin.
5. Adım 1.4'ü B bloğu ile tekrarlayın.

2. Ağırlığın sürtünme kuvveti üzerindeki etkisi.

1. A bloğunu B bloğunun üzerine yerleştirin ve ortalama değeri belirleyerek 1.4 adımını beş kez tekrarlayın. Sürtünme kuvvetinin arttığı/azaldığı faktörü hesaplayın.
2. B bloğunu A bloğunun üzerine yerleştirin ve ortalama değeri belirleyerek 1.4 adımını beş kez tekrarlayın. Sürtünme kuvvetinin arttığı/azaldığı faktörü hesaplayın.

3. Yüzey alanının sürtünme kuvveti üzerindeki etkisi.

1. B bloğunu tavanın sadece kenarını içeren tarafa çevirin. Ağırlığın yüzü yukarı bakacak tarafın üst kısmına yerleştirilmesi gerekecektir. Sürtünme kuvvetini ölçün ve adım 1.2'de ölçülen değerle karşılaştırın. Sürtünme kuvvetinin arttığı/azaldığı faktörü hesaplayın.

4. Duruş açısı.

1. A bloğunu 0°'lik bir açıyla başlayarak ayarlanabilir eğim düzlemine yerleştirin. Blok kaymaya başlayana kadar açıyı yavaşça yükseltin. Bir açıölçer kullanarak, durma açısını ölçün ve blok kaymaya başlamadan hemen önce statik sürtünme katsayısını hesaplamak için Denklem 3'ü kullanın. Bunu beş kez yapın ve ortalama değeri kaydedin.
2. Adım 4.2'yi B bloğu ile tekrarlayın.

Sürtünmenin etkileri günlük aktivitelerde kolayca gözlemlenebilir, ancak sürtünmeyi yöneten fiziksel mekanizmalar karmaşık olabilir.

Sürtünme, bir cismin bir yüzeyle temas ettiğinde hareketine karşı koyan bir kuvvettir. Mikroskobik düzeyde, temas halindeki malzemelerin yüzey pürüzlülüğü ve moleküller arası etkileşimlerden kaynaklanır. Ancak bu kuvvet, eşit büyüklükte bir dış kuvvet uygulanarak aşılabilir.

Bu videonun amacı, eğimli bir düzlemde olduğu kadar yatay olarak da kayan nesneler için laboratuvar ortamında sürtünmenin nasıl ölçüleceğini göstermektir.

Protokole dalmadan önce, sürtünme kuvvetinin arkasındaki kavramları tekrar gözden geçirelim. İlk olarak, iki tür sürtünme olduğunu bilmeniz gerekir - kinetik sürtünme ve statik sürtünme.

Kinetik sürtünmeyi anlamak için, sonsuz bir yatay buz alanı boyunca kayan bir lastik tüpün içinde olduğunuzu hayal edin.

Buz pürüzsüz bir yüzey olarak kabul edilebilse de, mikroskobik seviyeye bakarsak, iki yüzey arasında sürtünmeye neden olan karmaşık etkileşimler vardır. Bu etkileşimler yüzey pürüzlülüğüne ve çekici moleküller arası kuvvetlere bağlıdır.

Bu kinetik sürtünme kuvvetinin büyüklüğü, kinetik sürtünme katsayısının çarpımına eşittir veya ? Malzeme-yüzey kombinasyonuna ve normal kuvvete bağlı olan K veya nesneyi ve yüzeyi birbirine iten Fnorm.

Fnorm, nesneyi desteklemek için hareket eder ve arayüze diktir. Bu durumda, tüp düz bir zeminde olduğundan, Fnorm, mg olan yerçekimi kuvvetine eşit ve karşıttır. Bu nedenle, tüp ile birleşik kütlesinizi ve kauçuk ve buz için kinetik sürtünme katsayısını biliyorsanız, sürtünme kuvvetini kolayca hesaplayabiliriz.

Kinetik sürtünme, tüpün kinetik enerjisinin bir kısmını ısıya dönüştürebilir ve aynı zamanda tüpün momentumunu azaltarak onu hareketsiz hale getirir.

Şimdi, bu, diğer sürtünme türü olan statik sürtünmenin devreye girdiği zamandır. Bu sürtünme kuvveti, statik bir cismin hareketine karşı çıkar ve bir dış kuvvet uygulanarak hesaplanabilir. Sonunda cismi hareket ettiren uygulanan kuvvet, maksimum statik kuvveti ortaya çıkarır.

Maksimum statik kuvvet formülü, kinetik sürtünme formülü ile aynıdır, ancak statik sürtünme katsayısı ? S tipik olarak 'den büyüktür? Aynı malzeme-yüzey kombinasyonu için K.

Maksimum statik kuvvetin üstesinden gelmenin bir başka yolu da yüzeyin eğimini arttırmaktır. Bir açıda, durma açısı olarak adlandırılır veya ? R, eğimi aşağı çeken kuvvet statik sürtünme kuvvetine eşit olacak ve boru kaymaya başlayacaktır. Durma açısının yerçekimi kuvveti ile çarpımının sinüsü olan bu çekme kuvveti, maksimum statik kuvvete eşittir, bu da ? m, g ve ?r ' nin kosinüsünün S çarpı çarpımı. Bu denklemi yeniden düzenleyerek statik sürtünme katsayısını hesaplayabiliriz.

Artık sürtünme ilkelerini öğrendiğimize göre, bu kavramların hem kinetik hem de statik sürtünmenin kuvvetlerini ve katsayılarını deneysel olarak hesaplamak için nasıl uygulanabileceğini görelim. Bu deney, bir kütle ölçeği, bir kuvvet ölçeği, blok 1 ve 2 olarak gösterilen farklı sürtünme katsayılarına sahip iki metal tava, ayarlanabilir bir eğim düzlemi, iki adet 1000 g ağırlık ve bir açıölçerden oluşur.

Her bloğa 1000 g ağırlık ekleyin ve yüklenen blokların kütlelerini ölçmek için ölçeği kullanın.

Kuvvet ölçeğini blok 1'e bağladıktan sonra, ölçeği yatay olarak çekin ve blok kaymaya başlamadan hemen önce kuvvet okumasını not edin. Bu maksimum statik sürtünme kuvvetini kaydedin ve birden fazla veri seti elde etmek için bu ölçümü beş kez tekrarlayın. Aynı prosedürü blok 2'yi kullanarak gerçekleştirin ve bu değerleri kaydedin.

Ardından, kuvvet ölçeği blok 1'e bağlıyken, ölçeği sabit bir hızda çekin ve gösterge üzerindeki kinetik sürtünme kuvvetine dikkat edin. Birden fazla veri seti elde etmek için bu ölçümü beş kez tekrarlayın. Yine aynı işlemi blok 2'yi kullanarak gerçekleştirin ve bu değerleri kaydedin.

Şimdi, blok 1'i blok 2'nin üzerine yerleştirin ve kinetik sürtünme kuvvetini belirlemek için ölçeği sabit bir hızda çekin. Bu ölçümü beş kez tekrarlayın ve ortalamayı hesaplayın. Ardından, blok 1'in üstünde blok 2 ile aynı prosedürü gerçekleştirin.

Bir sonraki deney için, blok 1'i daha küçük yüzey alanı masaya bakacak şekilde çevirin ve kuvvet ölçeğine takın. Şimdi, blok kaymaya başlamadan önce kuvveti not ederek statik sürtünme kuvvetini daha önce olduğu gibi ölçün. Birden fazla veri seti elde etmek için bu ölçümü beş kez tekrarlayın.

Son deney için, blok 1'i, düzlem başlangıçta sıfır derecelik bir açıyla ayarlanabilir eğim düzlemine yerleştirin. Düzlemin açısını yavaşça kaldırın ve bloğun kaymaya başladığı açıyı belirlemek için bir iletki kullanın. Yine, birden fazla veri seti elde etmek için bu ölçümü beş kez tekrarlayın ve aynı prosedürü blok 2'yi kullanarak gerçekleştirin.

Yatay yüzeyde yapılan deneylerde bloklar üzerindeki normal kuvvet ağırlığa, yani kütle çarpı g'ye eşittir. Hem statik hem de kinetik sürtünme deneyleri için blok 1 ve 2'nin kütlesi aynı olduğundan, Fnorm dört durumda da aynıdır. Çeşitli deneyler için ölçülen kuvvet değerlerinin ortalaması ve her iki sürtünme için formüller kullanılarak, sürtünme katsayıları hesaplanabilir.

Beklendiği gibi, statik sürtünme katsayısı kinetik sürtünme katsayısından daha büyüktür. Ayrıca, iki blok için ilgili katsayılar, her biri farklı bir yüzey pürüzlülüğüne sahip oldukları için farklıdır.

Yığılmış bloklar deneyinde, her iki durumda da kütlenin iki katına çıktığını biliyoruz, bu yüzden yeni Fnorm'u hesaplayabiliriz. Yüzeyle temas eden blok için ?k'yi zaten biliyoruz. Bunu kullanarak, deney sırasında ölçülen kuvvetle iyi bir şekilde uyuşan kinetik sürtünme kuvvetini hesaplayabiliriz.

Blok 1'in oryantasyonundaki bir değişikliği takiben ölçülen sürtünme kuvveti, temas yüzey alanının sürtünme kuvvetini etkilemediğini gösterdi. Hesaplanan ve ölçülen kuvvetler arasındaki tutarsızlıklar, sabit bir hızı korurken kuvvet ölçeğinin okunmasıyla ilişkili tahmini hatalarla tutarlıdır.

Eğik düzlem deneyleri için duruş açısı ölçülmüştür. Bu açı kullanılarak, statik sürtünme katsayıları belirlenebilir ve burada değerler, yatay kayma ölçümlerinden ölçülen katsayılarla olumlu bir şekilde karşılaştırılır.

Sürtünmeyi incelemek, çeşitli uygulamalarda önemlidir, çünkü ya oldukça faydalı olabilir ya da en aza indirilmesi gereken bir fenomen olabilir.

Otomobil lastiği üreticilerinin, lastiklerin yolda çekiş kazanmasına izin verdiği için sürtünmeyi incelemesi son derece önemlidir. Bu nedenle, yağmur yağdığında, yoldaki su ve artık yağlar sürtünme katsayısını önemli ölçüde azaltarak kayma ve kazaları çok daha olası hale getirir.

Mühendisler araba lastikleri için sürtünmeyi artırmak isterken, genel olarak motorlar ve makineler için bunu azaltmak isterler, çünkü metaller arasındaki sürtünme ısı üretebilir ve yapılarına zarar verebilir. Bu nedenle, mühendisler sürekli olarak iki yüzey arasındaki sürtünme katsayısını azaltmaya yardımcı olabilecek yağlayıcıları inceler.

Az önce JoVE'nin Friction'a girişini izlediniz. Artık sürtünmenin büyüklüğüne hangi faktörlerin katkıda bulunduğunu, farklı sürtünme türlerini ve onu yöneten altta yatan fiziksel mekanizmaları anlamalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!