Przykładowe doświadczenia ilustrujące siłę tarcia.
Cele:
Poznanie natury zjawiska i siły tarcia, towarzyszącego naszym codziennym działaniom.
Plan pracy:
• Najważniejsze pojęcia i ich krótkie definicje.
• Tarcie i siła tarcia.
• Eksperymenty fizyczne.
Najważniejsze pojęcia:
Tarcie – opór, jaki napotykamy przesuwając lub chcąc przesunąć ciało po dowolnej powierzchni.
Siła nacisku – siła działająca prostopadle do powierzchni trących.
Siła tarcia – siła utrudniająca ruch, związana z jakością powierzchni trących ciał.
Tarcie i siła tarcia
Ze zjawiskiem tarcia spotykamy się na każdym kroku – chodząc po ulicy, trzymając pióro, jadąc samochodem. Czasem nam przeszkadza, a czasem umożliwia normalne funkcjonowanie. Sprzeczność taką najlepiej widać w samochodzie: w silniku chcemy zmniejszyć tarcie stosując łożyska, oleje i smary, a na koła nakładamy przemyślne opony, by tarcie zwiększyć (o tarczach hamulcowych nie wspominając...).Warto więc bliżej poznać zjawisko tarcia, a zwłaszcza siłę tarcia.
Jeżeli chcemy przesunąć ciało leżące na dowolnej powierzchni, to możemy użyć siły równoległej do tej powierzchni. Po ruszeniu z miejsca siła potrzebna do utrzymania ciała w ruchu jednostajnym jest mniejsza od tej, która jest potrzebna do zapoczątkowania ruchu. Użyta przez nas siła jest równa (I zasada dynamiki Newtona) sile oporu, zwanej siłą tarcia.
Siła tarcia statycznego, występującego wtedy, gdy ciało jest w spoczynku mimo działającej poziomo siły, zmienia się od zera do wartości Ts = fs · Fn , gdzie f s – współczynnik tarcia statycznego, Fn – siła nacisku. Jeżeli ciało jest w ruchu, to tarcie nazywa się kinetycznym. Siłę tarcia kinetycznego obliczamy ze wzoru Tk = fk · Fn . Współczynnik tarcia statycznego jest większy od kinetycznego f s >fk . Wartość współczynników tarcia f zależy od własności powierzchni trących, a wbrew pozorom, nie zależy od wielkości powierzchni.
Proponujemy wykonanie całej serii doświadczeń (lub choćby kilku z nich), aby lepiej zrozumieć i w następstwie wykorzystać zjawisko tarcia. Wszystkie doświadczenia są bardzo proste do wykonania. Kolejność jest taka, by pozwalała poznać własności siły tarcia i naturę samego zjawiska. Wszystkie doświadczenia mogą być wykonane przez uczniów gimnazjów i szkół ponadgimnazjalnych. Gimnazjalistów można zwolnić od wykonywania części obliczeniowych ćwiczeń, chociaż nieuchronna matura z matematyki powinna zachęcać do wykonywania tych prostych rachunków.
Eksperymenty fizyczne:
1. Eksperyment I
Materiały:
Dynamometr (siłomierz) albo gumka recepturka, klocek prostopadłościenny lub pudełko (najlepiej o rozmiarach zbliżonych do kostki masła), metalowe haczyki. Dynamometr (ryc.1) możemy wykonać samodzielnie. Wystarczy sprężyna, dwie rurki kartonowe o różnych średnicach i dwa haczyki z twardego drutu. Sprężynę zaginamy na obu końcach. W szerszej rurce mocujemy na stałe jeden koniec sprężyny, do rurki przyczepiamy haczyk. Do drugiego końca sprężyny mocujemy cieńszą rurkę zakończoną z drugiej strony haczykiem. Czarnym flamastrem rysujemy skalę – kreski co 1/2 lub 1 cm – w zależności od długości rurki. Wydłużenie sprężyny jest proporcjonalne do przyłożonej siły. Oczywiście, najwygodniej (choć przy mniejszej satysfakcji własnej!) kupić dynamometr lub wagę sprężynową w sklepie z różnymi drobiazgami AGD.
Jakie możemy wyciągnąć wnioski?
1. Gdy klocek spoczywa, to siła tarcia, równa sile przyłożonej przez nas za pośrednictwem gumki lub dynamometru, rośnie od zera do pewnej wartości maksymalnej i zawsze jest równa sile próbującej ruszyć ciało (bo ciało jest w spoczynku!). To tarcie nazywamy statycznym.
2. W czasie ruchu klocka, siła potrzebna do utrzymania go w ruchu jednostajnym jest mniejsza od siły potrzebnej do wprowadzenia klocka w ruch. To tarcie w ruchu nazywa się kinetycznym, a siła tarcia kinetycznego jest mniejsza od maksymalnej siły tarcia statycznego.
2. Eksperyment II
Materiały:
Dynamometr (siłomierz) albo gumka recepturka, dwa klocki prostopadłościenne lub pudełka (najlepiej o rozmiarach zbliżonych do kostki masła), metalowe haczyki.
Wykonanie:
To doświadczenie jest kontynuacją poprzedniego. Na klocek kładziemy dowolny ciężarek lub inny podobny klocek i powtarzamy poprzednie doświadczenie. Zauważymy, że siła jakiej musimy użyć, aby ciało ruszyło z miejsca, a następnie poruszało się ruchem jednostajnym, jest większa niż w poprzednim doświadczeniu. Oznacza to, że rośnie też siła tarcia, czyli im większy nacisk, tym większa siła tarcia. Wynika z tego, że jeżeli nasz samochód nie chce ruszyć na śliskiej jezdni, to warto posadzić w środku kilku pasażerów o słusznej wadze... Może pomóc! Jeżeli dysponujemy dynamometrem, to możemy wyznaczyć wartość siły tarcia i ciężar ciała. Wyniki umieszczamy w tabeli.
3. Eksperyment III
Materiały:
Ołówek lub patyk, klucz z dużym „uchem” lub kółko z kluczami. Wykonanie: Różnicę pomiędzy tarciem statycznym i kinetycznym możemy zaobserwować w prostym doświadczeniu. Ołówek lub patyczek wsadzamy do ucha klucza lub kółka z kluczami i delikatnie odchylamy go od poziomu tak, by klucz się nie zsuwał (patrz zdjęcie poniżej).
Jeżeli będziemy obracać ołówek wokół jego osi, to klucz zacznie się zsuwać, bo siła tarcia kinetycznego jest mniejsza od statycznego. Kiedy znowu przestaniemy obracać ołówek, to klucz przestanie się zsuwać.
4 Eksperyment IV
Materiały:
Klocek lub pudełko prostopadłościenne o krawędziach różnej długości.
Wykonanie:
Sprawdzamy teraz, czy siła tarcia zależy od wielkości powierzchni klocka. Pudełko kładziemy kolejno na trzech różnych ściankach (patrz zdjęcie poniżej) i mierzymy siłę potrzebną do ruszenia pudełka z miejsca.
Okazuje się, że jest ona zawsze taka sama, czyli siła tarcia nie zależy od wielkości powierzchni trących.
5 Eksperyment V
Materiały:
Klocek lub pudełko prostopadłościenne, woda, olej.
Wykonanie:
Sprawdzamy teraz, jak siła tarcia zależy od rodzaju trących powierzchni. Powierzchnię stołu lub deseczki, po której przesuwaliśmy dotychczas klocki, zwilżamy niewielką ilością wody (około 1 mm), tworząc niewielką „kałużę”. Następnie przeprowadzamy pomiar siły tarcia klocka po mokrym stole. Doświadczenie możemy powtórzyć, używając zamiast wody oleju. Porównajmy wynik z uzyskanym poprzednio na suchym stole. Siła potrzebna do wprawienia ciała w ruch wyraźnie się zmniejszyła, a więc tarcie, po wprowadzeniu pomiędzy trące powierzchnie cieczy, wyraźnie się zmniejszyło! Technicy używają takiego sposobu, aby zmniejszyć tarcie pomiędzy częściami maszyn. Zamiast wody stosują oleje, bo mają one wyższe temperatury wrzenia (mniejsze ubytki w czasie pracy) i nie są tak agresywne chemicznie jak woda.
6 Eksperyment VI
Materiały:
Łańcuszek lub elastyczna nitka.
Następnie zwiększamy część zwisającą do momentu, gdy łańcuszek zacznie sam zsuwać się ze stołu. Możemy przyjąć, że w tym momencie siła tarcia części łańcuszka leżącego na stole jest równa ciężarowi części łańcuszka wiszącego w powietrzu. Wtedy mierzymy długość części łańcuszka leżącą na stole a oraz wiszącą w powietrzu b. Zakładamy, że gęstość ρ i pole przekroju S łańcuszka są stałe. Siła tarcia części łańcuszka leżącej na stole T = f Fn . Siła nacisku Fn = m g, gdzie masa części łańcuszka leżąca na stole m = ρV, objętość tej części: V = aS, więc T = fρSag. Siła ciężkości części zwisającej łańcuszka P = m g, masa tej części m2 = ρbS, czyli P = ρbSg. Ponieważ T = P, to fρSag = ρbSg, czyli fa = b, więc f = b/a.
7 Eksperyment VII
Materiały:
Długa szczotka do zamiatania lub coś podobnego – mop, laska, kij bilardowy.
Wykonanie: Na zakończenie proponujemy bardzo efektowne doświadczenia, pozwalające znaleźć środek masy. Wykonanie doświadczenia jest proste, ale wyjaśnienie jego przebiegu i rezultatu już nie. Szczotkę kładziemy poziomo na palcach wskazujących obu rąk.
Następnie równocześnie powoli przesuwamy oba palce do środka, aż do zetknięcia. Ku naszemu zaskoczeniu, drążek pozostaje w równowadze w czasie ruchu, a w końcu palce spotykają się pod punktem, gdzie znajduje się środek masy, a podparty w tym miejscu drążek pozostaje w równowadze (patrz zdjęcie poniżej).
Do wyjaśnienia tego doświadczenia wykorzystamy zależność siły tarcia od siły nacisku. Z różnych powodów (m.in. różnej gładkości nierówności kija) drążek pozostaje unieruchomiony na jednym palcu, a porusza się dalej po drugim. Wtedy na tym drugim palcu będzie oparta większa część drążka, zwiększa się nacisk na ten palec i rośnie siła tarcia. W związku z tym na pierwszy palec działa mniejszy nacisk i zmniejsza się siła tarcia pomiędzy tym palcem, a kijem. Drążek zaczyna się teraz poruszać nad pierwszym palcem, a nad drugim jest nieruchomy. I tak na zmianę, na krótkich odcinkach, aż palce spotkają się pod środkiem masy.
8 Eksperyment VIII
Drugim, prawie magicznym doświadczeniem, które tłumaczy się w ten sam sposób, jest układanie monety na pasku cienkiego kartonu
Materiały:
Moneta, pasek cienkiego kartonu.
Wykonanie:
Ustawienie monety na takim pasku jest bardzo trudne. Jeżeli jednak zegniemy kartonik i położymy na zgięciu monetę, to po ostrożnym wyprostowaniu kartonika moneta będzie nadal w stanie równowagi.
