Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

מקור: ניקולס טימונס, אסנטה קוריי, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, בית הספר למדעי הפיזיקה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה

מטרת הניסוי היא לבחון את האופי הפיזי של שני סוגי החיכוך (כלומר, סטטי וקינטי). ההליך יכלול מדידת מקדמי החיכוך לאובייקטים המחליקים אופקית וכן במורד מישור נוטה.

החיכוך אינו מובן לחלוטין, אך נקבע כי הוא פרופורציונלי לכוח הנורמלי המופעל על אובייקט. אם מיקרוסקופ מתקרב לשני משטחים הנמצאים במגע, הוא יגלה שהמשטחים שלהם מחוספסים מאוד בקנה מידה קטן. זה מונע מהמשטחים להחליק בקלות זה על פני זה. שילוב ההשפעה של משטחים מחוספסים עם הכוחות החשמליים בין האטומים בחומרים עשוי להסביר את הכוח החיכוך.

ישנם שני סוגים של חיכוך. חיכוך סטטי קיים כאשר אובייקט אינו זז ונדרשת כוח מסוים כדי להניע את האובייקט. חיכוך קינטי קיים כאשר אובייקט כבר זז אך מאט עקב החיכוך בין משטחי ההזזה.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figure 1
איור 1.

איור 1 מראה ארבעה כוחות הפועלים על עצם היושב על מישור אופקי. Equation 1 מתאים לכוח אופקי כלשהו שהוחל. Equation 2 הוא כוח הכבידה על האובייקט, אשר מותאם באופן שווה אך בכיוון ההפוך על ידי הכוח הרגיל, Equation 3 . הכוח הנורמלי הוא תוצאה של משטח הפועל על עצם בניגוד לכוח המשיכה. הכוח הרגיל מסביר מדוע ספר לא פשוט נופל דרך השולחן שעליו הוא נח. לבסוף, התנגדות לכוח המופעל היא הכוח החיכוך, Equation 4 . הכוח החיכוך הוא פרופורציונלי לכוח הרגיל:

Equation 5,(משוואה 1)

Equation 11איפה מקדם החיכוך.

יש למדוד את מקדם החיכוך באופן ניסיוני והוא מאפיין התלוי בשני החומרים הנמצאים במגע. ישנם שני סוגים של מקדמי חיכוך: חיכוך קינטי, Equation 11 , כאשר אובייקטים כבר בתנועה, וחיכוך סטטי, Equation 10 כאשר אובייקטים נמצאים במנוחה ודורשים כמות מסוימת של כוח כדי לזוז. עבור אובייקט המחליק לאורך נתיב, הכוח הנורמלי שווה למשקל Equation 6 האובייקט. לכן, הכוח החיכוך תלוי רק במקדם ובמסה של אובייקט.

אם העצם נמצא במישור נוטה, הכוח הנורמלי Equation 3 מאונך לשיפוע ואינו שווה ומול למשקל Equation 6 כפי שניתן לראות באיור 2.

Figure 2
איור 2.

במקרה זה, רק רכיב של Equation 6 שווה ערך לכוח הרגיל, בהתאם לזווית θ:

Equation 7. (משוואה 2)

זווית הננוחה Equation 8 מוגדרת כנקודה שבה כוח הכבידה על אובייקט מתגבר על כוח החיכוך הסטטי והאובייקט מתחיל להחליק במורד מישור נוטה. קירוב טוב לזווית הננוחה הוא:

Equation 9. (משוואה 3)

במעבדה זו, שתי מחבתות מתכת ישמשו לייצוג חומרים עם מקדמי חיכוך שונים. בלוק A יהיה תחתון נייר חול, אשר יגרום מקדם גבוה יותר של חיכוך, בעוד בלוק B יהיה תחתון מתכת חלק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. מודדים את מקדמי החיכוך.

  1. הוסף משקל של 1,000 גרם לכל בלוק והשתמש בסולם מדידה של המסות של בלוקים A ו- B, כולל המסה הנוספו.
  2. חבר את קנה המידה של הכוח כדי לחסום את A. משוך את קנה המידה אופקית ושים לב לקריאה רגע לפני שהבלוק מתחיל להחליק. רגע לפני שהוא מתחיל להחליק, הכמות המקסימלית של חיכוך סטטי היא התנגדות לתנועה. השתמש בקריאת הכוח כדי לחשב Equation 10 עבור בלוק A. בצע זאת חמש פעמים ורשום את הערך הממוצע.
  3. חזור על שלב 1.2 עם בלוק B.
  4. משוך בלוק A על פני השולחן במהירות קבועה. אם המהירות קבועה, אז קריאת הכוח בסולם צריכה להיות שווה לכוח החיכוך. חשב Equation 11 עבור בלוק א'. בצע זאת חמש פעמים ורשום את הערך הממוצע.
  5. חזור על שלב 1.4 עם בלוק B.

2. השפעת המשקל על כוח החיכוך.

  1. מקם בלוק A מעל בלוק B וחזור על שלב 1.4 חמש פעמים, הקובע את הערך הממוצע. חשב את הגורם שבאמצעותו הכוח החיכוך גדל / ירד.
  2. מקם בלוק B מעל בלוק A וחזור על שלב 1.4 חמש פעמים, הקובע את הערך הממוצע. חשב את הגורם שבאמצעותו הכוח החיכוך גדל / ירד.

3. השפעת שטח הפנים על כוח החיכוך.

  1. סובבו את בלוק B לצד המכיל רק את שפת המחבת. המשקל יצטרך להיות ממוקם על החלק העליון של הצד עם הפנים כלפי מעלה. מדוד את עוצמת החיכוך והשווה אותו לערך הנמדד בשלב 1.2. חשב את הגורם שבאמצעותו הכוח החיכוך גדל / ירד.

4. זווית מנוחה.

  1. מקם בלוק A במישור השיפוע המתכוונן, החל מזווית של 0°. הרימו לאט את הזווית עד שהבלוק מתחיל להחליק. באמצעות מקדם, מדוד את זווית המנוחה והשתמש במשוואה 3 כדי לחשב את מקדם החיכוך הסטטי ממש לפני שהבלוק החל להחליק. בצע זאת חמש פעמים ורשום את הערך הממוצע.
  2. חזור על שלב 4.2 עם בלוק B.

ההשפעות של חיכוך נצפות בקלות בפעילויות היומיומיות ובכל זאת המנגנונים הפיזיים השולטים בחיכוך יכולים להיות מורכבים.

חיכוך הוא כוח המתנגד לתנועה של אובייקט כאשר הוא נמצא במגע עם משטח. ברמה המיקרוסקופית, זה נגרם על ידי חספוס פני השטח של החומרים במגע ואינטראקציות בין מולקולריות. אבל אפשר להתגבר על הכוח הזה על ידי יישום של כוח חיצוני השווה בסדר גודלו.

מטרת הסרטון היא להדגים כיצד למדוד חיכוך בהגדרת מעבדה עבור אובייקטים המחליקים אופקית וכן במורד מישור נוטה.

לפני שצללו לפרוטוקול, בואו נחזור למושגים שמאחורי הכוח החיכוך. ראשית, אתה צריך לדעת כי ישנם שני סוגים של חיכוכים - חיכוך קינטי וחיכוך סטטי.

כדי להבין חיכוך קינטי, דמיינו שאתם בצינור גומי מחליקים על פני שדה קרח אופקי אינסופי.

למרות שקרח עשוי להיחשב משטח חלק, אם נסתכל על הרמה המיקרוסקופית, יש אינטראקציות מורכבות בין שני המשטחים שגורמים לחיכוך. אינטראקציות אלה תלויות חספוס פני השטח וכוחות בין מולקולריים אטרקטיביים.

הגודל של כוח חיכוך קינטי זה שווה למכפלה של מקדם החיכוך הקינטי, או μK, אשר תלוי בשילוב פני השטח החומריים, ובכוח הרגיל, או Fnorm שדוחף את האובייקט ואת פני השטח יחד.

Fnorm פועל כדי לתמוך באובייקט והוא מאונך לממשק. במקרה זה, מאז הצינור הוא על קרקע רמה, Fnorm שווה ומול כוח הכבידה, שהוא מ"ג. לכן, אם אתה יודע את המסה המשולבת שלך עם הצינור, ואת מקדם החיכוך הקינטי לגומי וקרח, אנו יכולים לחשב בקלות את כוח החיכוך.

חיכוך קינטי יכול להמיר חלק מהאנרגיה הקינטית של הצינור לחום וגם יפחית את המומנטום של הצינור בסופו של דבר להביא אותו לנוח.

עכשיו, זה כאשר חיכוך סטטי - הסוג השני של חיכוך - נכנס למשחק. כוח חיכוך זה מתנגד לתנועה של אובייקט סטטי וניתן לחשב אותו על-ידי הפעלת כוח חיצוני. הכוח המוחל שבסופו של דבר מזיז את האובייקט חושף את הכוח הסטטי המרבי.

הנוסחה עבור כוח סטטי מרבי זהה לזו של חיכוך קינטי, אך מקדם החיכוך הסטטי μS גדול בדרך כלל מ- μK עבור אותו שילוב של משטח חומר.

דרך נוספת להתגבר על הכוח הסטטי המרבי היא על ידי הגדלת השיפוע של פני השטח. בזווית מסוימת, הנקראת זווית הנחה או θR, הכוח המושכ במורד המדרון יהיה שווה לכוח החיכוך הסטטי והצינור יתחיל להחליק. כוח משיכה זה, שהוא הסינוס של זווית הנחה כפול כוח הכבידה, שווה לכוח הסטטי המרבי, שהוא μS כפול תוצר של m , g, וקוסינוס של θR. על ידי ארגון מחדש של המשוואה הזו, אנו יכולים לחשב את מקדם החיכוך הסטטי.

כעת, לאחר שלמדנו את עקרונות החיכוך, בואו נראה כיצד ניתן ליישם את המושגים האלה כדי לחשב באופן ניסיוני את הכוחות והמקדמים של חיכוך קינטי וסטטי כאחד. ניסוי זה מורכב בקנה מידה המוני, סולם כוח, שתי מחבתות מתכת עם מקדמי חיכוך שונים המסומנות כבלוק 1 ו -2, מישור שיפוע מתכוונן, שתי משקולות 1000 גרם, ומקדם.

הוסף משקל של 1000 גרם לכל בלוק והשתמש בסולם כדי למדוד את המסות של הבלוקים הטעונים.

לאחר חיבור סולם הכוח לבלוק 1, משוך את קנה המידה אופקית ושים לב לקריאת הכוח רגע לפני שהבלוק מתחיל להחליק. הקלט את כוח החיכוך הסטטי המקסימלי הזה וחזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות. בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 ורשום ערכים אלה.

לאחר מכן, עם סולם הכוח המחובר לבלוק 1, למשוך את קנה המידה במהירות קבועה ולשים לב לכוח החיכוך הקינטי על המד. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות. שוב, בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 והקלט ערכים אלה.

עכשיו, למקם בלוק 1 על גבי בלוק 2 ולמשוך את קנה המידה במהירות קבועה כדי לקבוע את כוח החיכוך הקינטי. חזור על מדידה זו חמש פעמים וחשב את הממוצע. לאחר מכן בצע את אותו הליך עם בלוק 2 על גבי בלוק 1.

לניסוי הבא, סובבו את בלוק 1 כך ששטח הפנים הקטן יותר פונה לשולחן והצמידו אותו לסולם הכוח. כעת מדוד את כוח החיכוך הסטטי כבעבר על-ידי שימת לב לכוח לפני שהבלוק מתחיל להחליק. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות.

בניסוי האחרון, הנח בלוק 1 במישור השיפוע המתכוונן עם המטוס בתחילה בזווית של אפס מעלות. הרם באיטיות את זווית המישור והשתמש במשפר כדי לקבוע את הזווית שבה הבלוק מתחיל להחליק. שוב, חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות ולבצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2.

עבור הניסויים המבוצעים על משטח אופקי, הכוח הנורמלי על הבלוקים שווה למשקל, כלומר מסה כפול g. מכיוון שהמסה של בלוק 1 ו -2 לניסויי חיכוך סטטיים וקינטיים זהים, Fnorm זהה בכל ארבעת המקרים. באמצעות הממוצע של ערכי הכוח הנמדדים לניסויים השונים, והנוסחה לשני החיכוכים, ניתן לחשב את מקדמי החיכוך.

כצפוי, מקדם החיכוך הסטטי גדול יותר ממקדם החיכוך הקינטי. יתר על כן, מקדמי המתאימים עבור שני בלוקים שונים שכן כל אחד מהם יש חספוס משטח שונה.

בניסוי בלוקים מוערמים, אנו יודעים כי המסה מכפילה בשני המקרים, כדי שנוכל לחשב את Fnorm החדש. אנחנו כבר יודעים μk עבור הבלוק במגע עם פני השטח. באמצעות זה אנו יכולים לחשב את כוח החיכוך הקינטי, אשר מסכים היטב עם הכוח הנמדד במהלך הניסוי.

כוח החיכוך שנמדד בעקבות שינוי בכיוון של בלוק 1 הראה כי שטח פני המגע אינו משפיע על כוח החיכוך. הפערים בין הכוחות המחושבים לבין הכוחות המדומדים עולים בקנה אחד עם השגיאות המשוערות הקשורות לקריאת סולם הכוח תוך שמירה על מהירות קבועה.

בניסויי המישור הנוטים, נמדדה זווית הנחה. באמצעות זווית זו, ניתן לקבוע את מקדמי החיכוך הסטטי, וכאן הערכים משווים לטובה עם מקדמים הנמדדים ממדידות ההזזה האופקיות.

לימוד חיכוך חשוב במספר יישומים, שכן הוא יכול להיות מועיל מאוד או תופעה שיש למזער.

חשוב מאוד עבור יצרני צמיגי רכב ללמוד חיכוך, כפי שהוא מאפשר צמיגים להשיג אחיזה על הכביש. לכן, כאשר יורד גשם, המים והשוריים על הכביש מפחיתים באופן משמעותי את מקדם החיכוך, מה שהופך את הגלישה והתאונות להרבה יותר סבירות.

בעוד מהנדסים רוצים להגביר את החיכוך עבור צמיגי המכונית, עבור מנועים ומכונות באופן כללי הם רוצים להפחית את זה, כמו חיכוך בין מתכות יכול ליצור חום ולפגוע במבנים שלהם. לכן, מהנדסים לומדים כל הזמן חומר סיכה שעשוי לסייע בהפחתת מקדם החיכוך בין שני משטחים.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לחיכוך. כעת עליכם להבין אילו גורמים תורמים לגודל החיכוך, לסוגי החיכוך השונים ולמנגנונים הפיזיים הבסיסיים השולטים בו. כמו תמיד, תודה שצפית!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

 טבלה 1. מקדמי חיכוך.

חסימה Equation 10 Equation 11
A 0.68 0.60
B 0.52 0.47

טבלה 2. השפעת משקל ושטח הפנים על עוצמת החיכוך.

מדידה Equation 4
(נ)
פקטור שבאמצעותו הוא גדול יותר או קטן יותר
בלוק ב' ב-A 16 עם Equation 4 שלב 1.4 = 2.3
בלוק A ב- B 14 עם Equation 4 שלב 1.5 = 2.5
שטח פנים קטן 5 עם Equation 4 שלב 1.4 = 0.9

טבלה 3. זווית מנוחה.

חסימה זווית מנוחה Equation 12
(°)
Equation 10
A 30 0.58
B 24 0.45

התוצאות שהתקבלו מהניסוי תואמות את התחזיות שנעשו על ידי משוואות 1 ו -2. בשלב 1, החיכוך הסטטי היה גדול יותר מהחיכוך הקינטי. זה תמיד המקרה, כמו כוח רב יותר נדרש כדי להתגבר על חיכוך כאשר אובייקט הוא לא כבר בתנועה. בשלב 2, אושר כי כוח החיכוך היה פרופורציונלי למשקל של שני הבלוקים ומקדם החיכוך הקינטי של הבלוק במגע עם השולחן. התוצאה של שלב 3 מאשרת כי שטח הפנים אינו משפיע על כוח החיכוך. בשלב 4, ניתן להעריך את זווית הננוחה על-ידי משוואה 3. השגיאה הקשורה למעבדה נובעת מהקושי לקרוא את סולם הכוח תוך שמירה על מהירות קבועה עבור בלוק ההזזה. על ידי לקיחת מספר מדידות וחישוב הממוצע, ניתן להפחית אפקט זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

חיכוך נמצא בכל מקום בחיי היומיום שלנו. למעשה, לא ניתן יהיה ללכת בלעדיו. אם מישהו היה מנסה ללכת על משטח ללא חיכוך, הוא לא היה הולך לשום מקום. רק החיכוך בין תחתית רגליו לקרקע כשריריו דוחפים את הקרקע דוחף אותו קדימה.

כמעט בכל היבט של התעשייה, מהנדסים מנסים להפחית את החיכוך. כאשר שני משטחים נמצאים במגע, תמיד יהיה חיכוך. זה יכול ללבוש צורה של חום, כגון החום הרגיש כאשר מישהו משפשף את ידיה במהירות יחד. ביישומים תעשייתיים, חום זה יכול לפגוע במכונות. כוחות חיכוך גם מתנגדים לתנועת האובייקטים ויכולים להאט את הפעולות המכניות. לכן, חומרים כמו חומרי סיכה משמשים כדי להקטין את מקדם החיכוך בין שני משטחים.

טבלה 4. מקדמי חיכוך לדוגמה.

חומרים Equation 11
עץ על עץ 0.2
פליז על פלדה 0.44
גומי על בטון 0.8
מיסבים כדוריים משומנים < 0.01

בניסוי זה נמדדו מקדמי החיכוך הסטטי והקינטי לשני גושי הזזה שונים. נבחנה השפעת המסה על עוצמת החיכוך, יחד עם השפעת שטח הפנים. לבסוף, נמדדה זווית הנחה לבלוק במישור נוטה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter