منو
 کاربر Online
844 کاربر online

آزمایش اندازه گیری ضریب اصطکاک

تازه کردن چاپ
علوم طبیعت > فیزیک > فیزیک کلاسیک > مکانیک کلاسیک > مکانیک تحلیلی
(cached)

تئوری آزمایش

وقتی که جسمی ‌می‌‌خواهد بر روی جسمی‌ دیگر بلغزد، نیروی مقاومی در سطح تماس دو جسم در خلاف جهت حرکت پدید می‌‌آید که این نیرو از حرکت جسم جلوگیری می‌‌کند. این نیرو را نیروی اصطکاک گویند. البته لازم به ذکر است که این نیرو در لحظه شروع حرکت را نیروی اصطکاک ایستایی می‌‌گویند، اما در طول حرکت جسم نیز نیرو وجود دارد که در این حالت نیروی اصطکاک لغزشی می‌‌گویند.

تجربه نشان می‌‌دهد که نیروی اصطکاک همواره با نیروی عمودی که از طرف جسم بر سطح اتکای آن وارد می‌شود، متناسب است. نیروی عمودی که گاهی نیروی بار نیز گفته می‌‌شود، نیرویی است که هر جسم در راستای عمود بر سطح تماس خود به جسم دیگر یا به سطح اتکای خود وارد می‌‌کند. این نیرو از تغییر کشسان اجسام در تماس ناشی می‌‌شود. مثلا در مورد جسمی ‌که روی یک میز افقی به حالت سکون قرار دارد یا روی آن می‌‌لغزد، بزرگی نیروی عمودی با وزن جسم برابر است. چون جسم شتاب قائم ندارد، لذا باید میز نیز نیرویی به طرف بالا بر آن وارد کند که بزرگی آن با کشش رو به پائین وارد بر جسم از طرف زمین ، یعنی با وزن جسم ، برابر است.

بیشترین مقدار نیروی اصطکاک با کمترین نیروی لازم برای شروع به حرکت جسم برابر است. وقتی که حرکت شروع شد، معمولا نیروی اصطکاک بین سطوح کاهش پیدا می‌‌کند و نیروی کمتری برای یکنواخت ماندن حرکت لازم است. همچنین گفتیم که بزرگی نیروی اصطکاک با نیروی عمود بر سطح از طرف جسم متناسب است. ضریب تناسبی که این رابطه تناسب را به تساوی تبدیل می‌‌کند، ضریب اصطکاک نام دارد. ضریب اصطکاک به عوامل مختلفی چون جنس ماده ، پرداخت سطحی ، فیلمهای سطحی ، دما و میزان آلودگی سطح بستگی دارد. در این آزمایش سعی داریم در مورد چند سطح مختلف ضریب اصطکاک را محاسبه کنیم.

وسایل لازم

  • سطح شیبدار

  • تراز بنایی

  • نخ محکم

  • کفه

  • قرقره

  • وزنه‌های مختلف

  • ترازو

  • استوانه چوبی

اندازه گیری ضریب اصطکاک سطح افقی

در این آزمایش روش کار به این صورت است که مکعبی از جسم مورد نظر را که می‌‌خواهیم ضریب اصطکاک آن را تعیین کنیم، به ریسمانی بسته و آن را روی یک سطح افقی (مانند سطح روی یک میز) قرار دهیم. به انتهای دیگر ریسمان که از لبه میز آویزان شده است، کفه‌ای وصل می‌‌کنیم. همچنین در لبه میز قرقره‌ای قرار می‌‌دهیم و ریسمان را از روی شیار قرقره عبور دهیم. به انتهای دیگر ریسمان که از لبه میز آویزان شده است کفه ای وصل می‌‌کنیم. همچنین دو لبه میز قرقره‌ای قرار داده و ریسمان را از روی شیار قرقره عبور می‌دهیم، تا به راحتی حرکت کند. حال بر روی کفه تعدادی وزنه قرار می‌‌دهیم و با انگشت خود ضربه‌های کوچکی به میز می‌‌زنیم تا مکعب شروع به حرکت کند. همچنین بر روی مکعب وزنه‌ای با جرم معین قرار داده شده است.

در لحظه شروع به حرکت نیرویی که از طرف وزنه‌های داخل کفه اعمال می‌‌شود، با بیشترین مقدار نیروی اصطکاک (یعنی نیروی اصطکاک ایستایی) برابر است. وزنه‌ای که روی مکعب قرار دارد، نیرویی عمودی برابر با نیروی وزن خود بر مکعب وارد می‌‌کند. بنابراین ضریب اصطکاک برابر است با نسبت نیرویی که از طرف وزنه‌های موجود در کفه وارد می‌‌شود، بر نیروی عمودی. بنابراین اگر این نیروی عمودی را P_1 و نیروی وزن جرمهای موجود در کفه را با P_2 نشان دهیم، در این صورت μ_s ضریب اصطکاک ایتایی برابر است.

نتیجه

برای اینکه مقدار μ_s را با دقت بیشتر بدست ‌آوریم، می‌‌توانیم منحنی P_2 را بر حسب P_1 رسم نموده و از شیب آن μ_s را پیدا کنیم. برای این کار باید آزمایش را به تعداد دفعات مختلف انجام دهیم و نموداری با داده‌های مختلف رسم کنیم. اگر همین آزمایش را برای مکعب‌هایی با جنسهای مختلف انجام دهیم، ملاحظه می‌‌کنیم که μ_s ضریب اصطکاک ایستایی متناسب با جنس مکعب تغییر می‌‌کند.

اندازه گیری ضریب اصطکاک روی سطح شیبدار

هر سطحی با افق زاویه بسازد، سطح شیبدار گفته می‌‌شود. اگر جسمی ‌بر روی سطح شیبدار قرار داده شود، تحت اثر نیروهای وزن جسم ، واکنش عمودی سطح شیبدار و نیروی اصطکاک بین دو سطح تماس قرار می‌‌گیرد و جسم تحت اثر برآیند این نیروها حرکت می‌‌کند.

فرض کنید جسمی ‌بر روی یک سطح شیبدار قرار دارد. در این حالت محورهای مختصات را به گونه‌ای انتخاب می‌‌کنیم که محور x در امتداد سطح شیبدار و محور y در امتداد عمود بر سطح باشد. همچنین جهت محور xها را از بالا به پایین انتخاب می‌‌کنیم. نیروی وزن جسم را در امتداد محور x و y تجزیه می‌‌کنیم. بنابراین اگر جرم جسم M و زاویه شیب سطح شیبدار θ باشد، در این صورت مولفه Mg \sin θ در امتداد سطح بوده و مولفه Mg \cos θ در امتداد محور y خواهد بود. این مولفه همان مولفه عمودی سطح است.

در مورد ضریب اصطکاک ایستایی که جسم در آستانه حرکت است، نیروی اصطکاک برابر با مولفه Mg \cos θ نیروی وزن است و چون گفتیم که نیروی اصطکاک با نیروی عمودی سطح متناسب است، لذا ضریب اصطکاک از رابطه حاصل خواهد شد.

بنابراین برای انجام این آزمایش یک مکعب چوبی به جرم معین را روی سطح شیبدار قرار داده و آن را بوسیله یک تکه نخ و یک قرقره به وزنه‌ای که در داخل کفه‌ای قرار دارد و آویزان است، وصل می‌‌کنیم. به این ترتیب ضریب اصطکاک که با tg θ\ برابر است، قابل اندازه گیری خواهد بود. این آزمایش را چند بار تکرار می‌‌کنیم و به این ترتیب μ_s مناسبی را انتخاب می‌‌کنیم.

اندازه گیری ضریب اصطکاک جنبشی

برای این کار مکعب چوبی را روی سطح شیبدار قرار داده و به تدریج زاویه سطح شیبدار را تغییر می‌‌دهیم تا اینکه قطعه چوب با یک ضربه کوچک با حرکت یکنواخت و ثابت روی سطح حرکت کند. (در ضمن شیب دادن به سطح مرتبا به مکعب ضربه‌های کوچک وارد می‌‌کنیم) سپس زاویه سطح شیبدار را بوسیله نقاله اندازه می‌‌گیریم و از رابطه μ_k = \tg θ_k ضریب اصطکاک جنبشی را حساب می‌‌کنیم، θ_k زاویه ای است که تحت آن مکعب با ضربه ملایمی به حرکت در می آید. این آزمایش را نیز برای اجسام مختلف تکرار می‌‌کنیم.

مباحث مرتبط با عنوان


تعداد بازدید ها: 114738


ارسال توضیح جدید
الزامی
big grin confused جالب cry eek evil فریاد اخم خبر lol عصبانی mr green خنثی سوال razz redface rolleyes غمگین smile surprised twisted چشمک arrow



از پیوند [http://www.foo.com] یا [http://www.foo.com|شرح] برای پیوندها.
برچسب های HTML در داخل توضیحات مجاز نیستند و تمام نوشته ها ی بین علامت های > و < حذف خواهند شد..