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Overview

출처: 니콜라스 티몬스, 아산타 쿠레이, 박사, 물리학 및 천문학학과, 물리 과학 학교, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아

이 실험의 목표는 마찰의 두 가지 유형의 물리적 특성을 검사하는 것입니다(즉, 정적 및 운동). 절차는 수평으로 슬라이딩 개체뿐만 아니라 경사 평면 아래로 슬라이딩 에 대한 마찰의 계수를 측정 포함됩니다.

마찰은 완전히 이해되지는 않지만, 실험적으로 물체에 가해지는 정상 힘에 비례한다고 판단된다. 현미경이 접촉하는 두 표면을 확대하면 표면이 작은 규모로 매우 거칠다는 것을 알 수 있습니다. 이렇게 하면 표면이 서로 쉽게 미끄러지지 못하게 됩니다. 거친 표면의 효과를 재료의 원자 사이의 전기력과 결합하면 마찰력을 고려할 수 있습니다.

마찰에는 두 가지 유형이 있습니다. 오브젝트가 움직이지 않고 해당 오브젝트를 움직이려면 약간의 힘이 필요할 때 정적 마찰이 존재합니다. 물체가 이미 움직이고 있지만 슬라이딩 표면 간의 마찰로 인해 속도가 느려질 때 운동 마찰이 존재합니다.

Principles

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Figure 1
그림 1.

그림 1은 수평 평면에 있는 오브젝트에서 작용하는 4개의 힘을 보여 주습니다. Equation 1 일부 적용된 수평 힘에 해당합니다. Equation 2 물체의 중력은 물체에 대한 중력의 힘이며, 이는 일반 힘에 의해 동등하지만 반대 방향으로 Equation 3 일치한다. 일반 힘은 중력에 반대되는 물체에 작용하는 표면의 결과입니다. 정상적인 힘은 책이 단순히 놓여있는 테이블을 통해 떨어지지 않는 이유를 설명합니다. 마지막으로, 적용 된 힘에 반대하는 것은 마찰 Equation 4 력입니다. 마찰력은 정상 력에 비례합니다.

Equation 5, (방정식 1)

Equation 11마찰계수가 어디에 있는지.

마찰 계수는 실험적으로 측정되어야 하며 접촉중인 두 재료에 의존하는 속성입니다. 마찰계수에는 운동 마찰, Equation 11 물체가 이미 움직이고 있을 때, 정적 마찰, 물체가 쉬고 움직일 수 있는 일정한 양의 힘이 필요할 때의 두 가지 Equation 10 유형의 마찰이 있습니다. 경로를 따라 슬라이딩하는 오브젝트의 경우 일반 힘은 오브젝트의 무게와 Equation 6 같습니다. 따라서 마찰력은 물체의 계수와 질량에만 의존한다.

물체가 경사 평면에 있는 경우 일반 힘은 Equation 3 경사에 수직이며 그림 2에서 볼 수 있듯이 무게와 동등하지 Equation 6 않습니다.

Figure 2
그림 2.

이 경우 각도 θ에 따라 구성 요소만 Equation 6 일반 힘과 동일합니다.

Equation 7. (방정식 2)

리포즈 Equation 8 각도는 오브젝트의 중력힘이 정적 마찰력을 극복하고 물체가 경사 평면 아래로 미끄러지기 시작하는 지점으로 정의됩니다. 리포즈 각도에 대한 좋은 근사치는 다음과 같은 것입니다.

Equation 9. (방정식 3)

이 실험실에서는 마찰계수가 다른 재료를 나타내는 두 개의 금속 프라이팬을 사용합니다. 블록 A는 모래 종이 바닥을 가지며, 이로 인해 마찰계수가 높아지고 블록 B는 부드러운 금속 바닥을 갖게 됩니다.

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Procedure

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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 Equation 10 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. Equation 11 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 생활에서 쉽게 관찰되고 그러나 마찰을 통제하는 물리적 기계장치는 복잡할 수 있습니다.

마찰은 표면과 접촉할 때 물체의 움직임을 반대하는 힘입니다. 현미경 수준에서, 접촉 및 분자 간 상호 작용에서 물질의 표면 거칠기에 의해 발생합니다. 그러나 크기가 동등한 외부 힘을 적용하여이 힘을 극복 할 수 있습니다.

이 비디오의 목표는 기울어진 평면 아래로 수평으로 미끄러지는 물체에 대한 실험실 설정에서 마찰을 측정하는 방법을 보여 주는 것입니다.

프로토콜에 뛰어들기 전에 마찰력뒤에 있는 개념을 다시 살펴보겠습니다. 첫째, 운동 마찰과 정적 마찰 - 마찰의 두 가지 유형이 있다는 것을 알아야합니다.

운동 마찰을 이해하려면 무한한 수평 의 얼음 필드를 가로 질러 미끄러지는 고무 튜브에 있다고 상상해보십시오.

얼음은 매끄러운 표면으로 간주 될 수 있지만, 미세한 수준을 보면 마찰을 일으키는 두 표면 사이의 복잡한 상호 작용이 있습니다. 이러한 상호 작용은 표면 거칠기와 매력적인 분자 간 힘에 따라 달라집니다.

이 운동 마찰력의 크기는 재료 표면 조합에 의존하는 운동 마찰 계수 또는 μK 또는 물체와 표면을 함께 밀어주는 노름의 제품과 동일합니다.

Fnorm은 객체를 지원하는 역할을 하며 인터페이스에 수직입니다. 이 경우 튜브가 평평한 지면에 있기 때문에 Fnorm은 중력의 힘과 동일하며 밀리그램입니다. 따라서, 튜브와 결합질량을 알고, 고무와 얼음에 대한 운동 마찰계수를 알고 있다면, 마찰의 힘을 쉽게 계산할 수 있습니다.

운동 마찰은 튜브의 운동 에너지의 일부를 열로 변환할 수 있으며 궁극적으로 튜브의 추진력을 감소시킬 수 있습니다.

지금, 이것은 정적 마찰 - 마찰의 다른 유형 - 놀이에 온다 때입니다. 이 마찰 력은 정적 오브젝트의 이동에 반대하며 외부 힘을 적용하여 계산할 수 있습니다. 결국 오브젝트를 이동하는 적용된 힘은 최대 정적 힘을드러냅니다.

최대 정적 힘에 대한 수식은 운동 마찰에 대한 것과 동일하지만 정적 마찰 μS의 계수는 일반적으로 동일한 재료 표면 조합에 대한 μK보다 큽습니다.

최대 정적 힘을 극복하는 또 다른 방법은 표면의 경사를 증가시켜는 것입니다. 어떤 각도에서, 즉 리포지토리 또는 θR의 각도라고, 경사를 당기는 힘은 정적 마찰 력과 같고 튜브가 미끄러지기 시작합니다. 중력의 힘이 반사되는 각도의 사인 이 당기는 힘은 θR의 μS 시간 생성물인 최대 정적 힘과 같습니다. 이 방정식을 재배열하여 정적 마찰계수를 계산할 수 있습니다.

이제 마찰의 원리를 배웠으니, 이러한 개념이 어떻게 운동및 정적 마찰의 힘과 계수를 실험적으로 계산하기 위해 적용될 수 있는지 살펴보겠습니다. 이 실험은 질량 배율, 힘 스케일, 블록 1과 2로 표시된 마찰계수가 다른 두 개의 금속 팬, 조정 가능한 경사 평면, 2 개의 1000g 무게 및 배트랙터로 구성됩니다.

각 블록에 1000g 의 무게를 추가하고 스케일을 사용하여 로드된 블록의 질량을 측정합니다.

힘 축척을 연결하여 1을 차단한 후 축척을 수평으로 당기고 블록이 미끄러지기 시작하기 직전에 힘 판독을 기록합니다. 이 최대 정적 마찰 력을 기록하고 이 측정을 다섯 번 반복하여 여러 데이터 세트를 얻습니다. 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행하고 이러한 값을 기록합니다.

다음으로, 블록 1에 연결된 힘 스케일을 사용하면 일정한 속도로 스케일을 당기고 게이지의 운동 마찰 력을 기록합니다. 이 측정을 다섯 번 반복하여 여러 데이터 집합을 가져옵니다. 다시 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행하고 이러한 값을 기록합니다.

이제 블록 2 위에 블록 1을 배치하고 일정한 속도로 스케일을 당겨 운동 마찰력을 결정합니다. 이 측정을 다섯 번 반복하고 평균을 계산합니다. 그런 다음 블록 1 위에 블록 2와 동일한 절차를 수행합니다.

다음 실험의 경우 블록 1을 돌려 서면영역이 테이블에 향하도록 하여 힘 배율에 부착합니다. 이제 블록이 미끄러지기 시작하기 전에 힘을 기록하여 정적 마찰 력을 이전과 같이 측정합니다. 이 측정을 다섯 번 반복하여 여러 데이터 집합을 가져옵니다.

마지막 실험의 경우 처음에는 비행기가 0도 각도로 조정 가능한 경사 평면에 블록 1을 배치합니다. 천천히 평면의 각도를 높이고 트랙터를 사용하여 블록이 미끄러지기 시작하는 각도를 결정합니다. 다시 말하지만, 이 측정을 다섯 번 반복하여 여러 데이터 세트를 얻고 블록 2를 사용하여 동일한 절차를 수행합니다.

수평 표면에서 수행된 실험의 경우 블록의 정상 힘은 중량과 같으며, 즉 질량 시간 g입니다. 정적 및 운동 마찰 실험 모두에 대한 블록 1과 2의 질량은 동일하기 때문에, Fnorm은 네 가지 경우 모두에서 동일합니다. 다양한 실험에 대한 측정된 힘 값의 평균과 두 마찰모두에 대한 공식을 사용하여 마찰 계수를 계산할 수 있습니다.

예상대로, 정적 마찰의 계수는 운동 마찰의 계수보다 큽습니다. 또한 두 블록에 대한 각각의 계수는 각각 다른 표면 거칠림을 가지고 있기 때문에 다릅니다.

누적 블록 실험에서 질량이 두 경우 모두 두 배가되므로 새로운 Fnorm을 계산할 수 있습니다. 우리는 이미 표면과 접촉하는 블록에 대한 μk를 알고 있습니다. 이를 사용하면 실험 중 측정된 힘에 잘 동의하는 운동 마찰력을 계산할 수 있습니다.

블록 1의 방향 변경 에 따라 측정 된 마찰 힘은 접촉 표면 영역이 마찰의 힘에 영향을 미치지 않는다는 것을 입증했다. 계산된 힘과 측정된 힘 간의 불일치는 일정한 속도를 유지하면서 힘 스케일을 읽는 것과 관련된 추정 오차와 일치합니다.

경사 평면 실험의 경우, 리포지토리각도를 측정하였다. 이 각도를 사용하면 정적 마찰계수를 결정할 수 있으며 여기서값은 수평 슬라이딩 측정에서 측정된 계수와 유리하게 비교됩니다.

마찰을 연구하는 것은 매우 유익하거나 최소화해야 하는 현상이 될 수 있기 때문에 여러 응용 분야에서 중요합니다.

자동차 타이어가 마찰을 연구하는 것은 타이어가 도로에서 견인력을 얻을 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 따라서 비가 오면 도로의 물과 잔류 오일이 마찰계수를 현저히 감소시켜 슬라이딩과 사고가 발생할 가능성이 훨씬 높아집니다.

엔지니어는 자동차 타이어의 마찰을 증가시키고 자하지만, 금속 간의 마찰로 인해 열을 생성하고 구조물이 손상될 수 있으므로 일반적으로 엔진과 기계류의 경우 이를 줄이려고 합니다. 따라서 엔지니어는 두 표면 간의 마찰 계수를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 윤활유를 지속적으로 연구합니다.

당신은 마찰에 조브의 소개를 보았다. 이제 마찰의 크기, 다양한 유형의 마찰 및 이를 제어하는 기본 물리적 메커니즘에 기여하는 요인을 이해해야 합니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!

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Results

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 표 1. 마찰계수.

차단 Equation 10 Equation 11
A 0.68 0.60
B 0.52 0.47

표 2. 마찰력에 대한 무게와 표면적의 효과.

측량 Equation 4
(N)
더 크거나 작은 계수
블록 B 온 A 16 Equation 41.4 단계 = 2.3 단계에서
B의 블록 A 14 Equation 41.5 단계 = 2.5 단계에서
작은 표면적 5 Equation 41.4 단계 = 0.9 단계에서

표 3. 리포지토리 각도.

차단 자세각 Equation 12
(°)
Equation 10
A 30 0.58
B 24 0.45

실험에서 얻은 결과는 방정식 1과 2에의해 이루어진 예측과 일치합니다. 1단계에서는 정적 마찰이 운동 마찰보다 컸다. 개체가 아직 움직이지 않을 때 마찰을 극복하기 위해 더 많은 힘이 필요하기 때문에 항상 그렇습니다. 2단계에서는, 마찰의 힘이 테이블과 접촉하여 블록의 블록의 중량 및 역학 마찰계수의 중량에 비례하는 것으로 확인되었다. 3단계의 결과는 표면적이 마찰력에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인한다. 4단계에서는 재구성 각도를 수학식 3에의해 근사화할 수 있다. 실험실과 관련된 오류는 슬라이딩 블록에 대한 일정한 속도를 유지하면서 힘 스케일을 읽는 데 어려움에서 비롯됩니다. 여러 측정을 하고 평균을 계산하면 이 효과를 줄일 수 있습니다.

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Applications and Summary

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마찰은 우리의 일상 생활에서 어디에나 있다. 사실, 그것없이 걸을 수 없을 것입니다. 누군가가 마찰없는 표면을 걷려고 하면, 그는 아무 데도 가지 않을 것입니다. 그의 근육이 그를 앞으로 밀어 땅에 밀어으로 그것은 그의 발의 바닥과 땅 사이의 마찰이다.

엔지니어들은 산업의 거의 모든 면에서 마찰을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 두 개의 서피스가 접촉하면 항상 마찰이 있을 것입니다. 이것은 누군가가 빨리 그녀의 손을 함께 문질러 때 느꼈던 열과 같은 열의 형태를 취할 수 있습니다. 산업 응용 분야에서이 열은 기계를 손상시킬 수 있습니다. 마찰력은 또한 물체의 움직임에 반대하며 기계 작업을 느리게 할 수 있습니다. 따라서 윤활유와 같은 물질은 두 표면 사이의 마찰 계수를 줄이는 데 사용됩니다.

표 4. 마찰의 예 계수.

자료 Equation 11
나무에 나무 0.2
강철에 황동 0.44
콘크리트에 고무 0.8
윤활 공 베어링 < 0.01

이 실험에서 정적 및 운동 마찰계수를 두 개의 서로 다른 슬라이딩 블록으로 측정하였다. 질량이 마찰의 힘에 미치는 영향과 표면적의 효과를 조사하였다. 마지막으로 경사 평면의 블록에 대한 리포지토리 각도를 측정했습니다.

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