마찰 계수 계산 방법
마찰에는 두 가지 기본 유형이 있습니다 : 운동 및 정적. 운동 마찰은 물체가 상대 운동에있을 때 작용하지만 정지 마찰은 물체에 힘이있을 때 작용하지만 물체는 움직이지 않습니다. 마찰에 대한 단순하지만 효과적인 모델은 마찰력 f가 법선 힘 N의 곱과 마찰 계수 μ로 불리는 수이며 모든 재료 쌍마다 다릅니다. 여기에는 자체와 상호 작용하는 자료가 포함됩니다. 법선 력은 두 개의 미끄럼 표면 사이의 경계면에 수직 인 힘, 즉 그들이 서로 밀어 붙이는 힘입니다. 마찰 계수를 계산하는 공식은 f = μN입니다. 마찰력은 항상 의도 된 또는 실제 동작의 반대 방향으로 작용하지만 표면에 평행하게 작용합니다.
운동 마찰 및 정적 마찰에 대한 μ 측정
가능한 한 도르래에서 멀리 블록을 시작하고 블록을 놓은 다음 트랙을 따라 거리 L만큼 이동하는 데 소요되는 시간 t를 기록하십시오. 교수형 질량이 작 으면 블록을 약간 움직여 움직 이도록 할 수 있습니다. 다른 매달려있는 질량으로 반복하십시오.
마찰력을 계산하십시오. 블록에 대한 순 강제력의 공식은 Fnet = 2ML / t ^ 2입니다. 여기서 M은 블록의 질량 (그램)입니다.
Fnet을 계산하십시오. 블록에 적용된 힘 Fapplied는 매달려있는 매스의 무게에 의한 문자열 원인으로부터의 당김입니다 (m). 공식은 Fapplied = mg입니다. 여기서 g = 초당 9.81 미터 제곱은 중력 가속도 상수입니다.
Fapplied를 계산하십시오. 수직력은 블록의 무게, N = Mg입니다.
N을 계산합니다. 마찰력은 적용된 힘과 순 힘의 차이입니다 : f = Fapplied - Fnet.
f를 계산합니다.
x 축상의 수직 힘 N에 대해 y 축에 마찰력 f를 그래프로 나타냅니다. 슬로프는 운동 마찰 계수를 제공합니다.
트랙의 한쪽 끝에 물건을 놓고 램프를 천천히 들어 올려서 램프를 만듭니다. 블록이 단지 미끄러지기 시작하는 각도 θ를 기록하십시오. 이 각도에서, 램프 아래로 작용하는 유효 중력은 블록이 미끄러지는 것을 방지하는 마찰력보다 간신히 크다. 경사면의 형상과 마찰 물리학을 결합하면 정적 마찰 계수 μ = tan (θ)에 대한 간단한 공식을 얻을 수 있습니다. 여기서 μ는 마찰 계수이고 θ는 각입니다.
마찰계수 실험 (friction factor experiment)
◎ 실험 목적
- 접촉하고 있는 물체들의 표면에 작용하는 마찰력을 이해하고 측정해 본다.
◎ 마찰력 (Frictional force)
- 물체의 운동을 방해하는 힘
다른 두 물체가 접촉한 상태에서 움직이려고 할 때 서로 표면에 평행한 마찰력이 작용한다.
접촉면을 따라서 힘이 생기며 움짐을 가한 힘의 반대 방향으로 운동을 방해하는 힘
크게 정지 마찰력과 운동 마찰력으로 구분되어진다.
◎ 정지 마찰력
- 물체가 정지하고 있는 동안 받는 마찰력
마찰력의 크기 : 외력의 크기와 같음
마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
힘의 평형상태 : 물체의 외력과 정치 마찰력
◎ 운동 마찰력
- 물체가 운동하고 있는 동안 받는 마찰력
마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
정지 마찰력과 다르게 운동 마찰력의 크기는 외력 크기와 다르다.
◎ 수직 항력 (Normal force)
- 표면이 표면에 대해 수직 하게 물체를 떠받치는 힘
물체가 표면에 가하는 힘과 함께 서로 작용-반작용 관계
정지 영역은 정지 마찰력으로 외력과 크기가 같고 방향이 반대 이기 때문에 비례 그래프를 보인다
(물체가 움직이지 않는다)
최대 정지 마찰력을 넘어서면 물체가 움직이기 시작하면서 외력과 마찰력의 크기가 달라진다.
(외력 - 운동 마찰력 = 물체가 움직이는 힘이 된다)
일상생활에서 책상이나 박스 등 물체를 움직일 때 작은 힘에는 움직이지 않다가 어느 일정 크기의 힘이
넘어가면 물체가 움직이기 시작하는 이유가 최대 정지 마찰력을 넘기기 때문이다.
◎ 실험 방법
도르래를 기점으로 질량(M)의 박스와 질량(m)의 추를 나누어 보자
1. 박스
박스의 진행 방향으로 장력 T가 발생이 되고 진행 방향의 반대 방향으로 마찰력이 발생한다.
그래서 박스가 움직이는 힘 F= Ma =T - f(운동 마찰력) 이 된다.
2. 추
추는 중력에 의해 밑으로 W=mg로 움직이고 윗 방향으로 장력 T를 받게 된다.
그래서 추가 움직이는 힘 F =ma =mg - T
박스와 추의 움직이는 힘 중 장력 T가 공통되기 때문에 T로 정리를 하면
1. 박스 : T = Ma + f(운동 마찰력)
2. 추 : T = mg - ma
-> Ma + f = mg - ma -> (M+m) a =mg - f 이걸 정리해 보면
다음과 같이 운동 마찰계수를 구할 수 있다.
자유낙하 실험에서 사용한 실험장비와 같이 광학 센서와 도르래를 이용하여 가속도(a)를 실험을 통하여 구하면
계산을 통해 마찰계수를 구할 수 있다.