مکانیک
سطح شیبدار اصطکاکی
ببینید بلوک ثابت میماند — سپس اصطکاک استاتیکیاش (μs) را پایین ببرید تا از آستانه بگذرد و بلغزد (μs = tan 30° ≈ 0.58).
سطح شیبدار اصطکاکی — شبیهسازی تعاملی مکانیک. ببینید بلوک ثابت میماند — سپس اصطکاک استاتیکیاش (μs) را پایین ببرید تا از آستانه بگذرد و بلغزد (μs = tan 30° ≈ 0.58). آزمایشگاه مجازی فیزیکِ رایگانِ مرورگری با اندازهگیریهای زندهٔ SI و آموزش هدایتشده.
اصطکاک ایستایی روی شیب
اصطکاک با لغزش مخالف است. روی شیب، بلوک سر جایش میماند تا آنکه مؤلفهٔ پایینروندهٔ گرانش از بیشینهٔ اصطکاک ایستایی بگذرد.
زاویهٔ بحرانی tan θ = μ را برآورده میکند. زیر آن زاویه بلوک در سکون میماند؛ بالای آن بلوک میلغزد. شیب این پیشتنظیم روی 30° ثابت است؛ ضریب اصطکاک استاتیکی بلوک (μs) را در پنل ویژگیها پایین ببرید تا زیر tan 30° ≈ 0.58 بیفتد و آستانه را بیابید.
- μₛ = tan θ_critical
- F_friction ≤ μₛ N
خلاصهٔ پژوهش
پرسش را پیش از بازکردن آزمایشگاه برنامهریزی کنید
این خلاصه همان صفحهٔ از پیش رندرشده است: پرسش محوری، پیشبینیهای رقیب، نقش متغیرها، قوانین حاکم، برپاسازی، تحلیل و پرسشهای گسترش — به همین ترتیب و همیشه در دید میمانند.
پرسش محوری
بلوکی روی شیب ثابت 30 درجه نشسته و فعلاً اصطکاک ایستایی نگهش داشته. اگر اصطکاک میان بلوک و شیب را کم کنید، شروع به لغزش میکند — و از کجا؟
پیشبینیهایی که باید سنجیده شوند
- دو قانون به ترتیب اعمال میشوند. بلوک برای هر μs ≥ tan(30°) ≈ 0.58، بیتوجه به جرم، نگه داشته میشود — و وقتی رها شد، μk است نه μs که سرعت شتابش را تعیین میکند.
- بلوک با هر بار کمکردن μs کمی بیشتر میلغزد، حتی وقتی μs هنوز بالای tan(30°) است — اصطکاک فقط بهتدریج ضعیف میشود.
- بلوک سنگینتر برای شروع لغزش، μs کمتری میخواهد — جرم هم بر آستانه اثر میگذارد.
نقش متغیرها
آنچه شما تنظیم میکنید:
- جرم بلوک (kg)
- اصطکاک ایستایی (μs)
- اصطکاک جنبشی (μk)
آنچه اندازه میگیرید:
- نیروی گرانش در راستای شیب (N)
- تندی پس از 1 s (m/s)
پژوهش چگونه اجرا میشود
- پیشتنظیم شیب اصطکاکی را باز کنید. زاویهٔ ثابت شیب (30°) و بلوکِ روی آن را ببینید که فعلاً با اصطکاک ساکن نگه داشته شده.
- از پنل ویژگیها (یا پیوند همرسانشده) ضرایب اصطکاک ایستایی (μs) و جنبشی (μk) بلوک را برای این آزمایش تنظیم کنید. μk ≤ μs بماند — برنامه اجرایش میکند، چون سطحی نمیتواند در سکون کمتر از هنگام لغزش بچسبد. جرم ثابت میماند.
- شبیهسازی را چند ثانیه اجرا کنید و تندی بلوک را از کاوشگر بخوانید. ثبت کنید که ساکن ماند یا لغزش آغاز کرد.
معادلهٔ حاکم
مؤلفهٔ گرانش در راستای سطح شیبدار — F = m·a
با اعمال F = m·a و a = g sin θ، همان جزءِ وزن بلوک به دست میآید که آن را در امتداد شیب به پایین میکشد. برای ساکن ماندن بلوک، اصطکاک ایستایی باید آن را کامل خنثی کند؛ اما بهمحض اینکه بلوک بلغزد، اصطکاک جنبشی تنها بخشی از آن را خنثی میکند.
نیروی اصطکاک جنبشی — f_k = μ_k·m·g·cos θ
وقتی بلوک واقعاً میلغزد، اصطکاک دیگر یک آستانه نیست و به نیرویی معین بدل میشود: f = μk·m·g·cos θ که در آن μk ضریب اصطکاک جنبشی است. این نیرو از مؤلفهٔ گرانش در امتداد شیب کم میشود، پس بلوک با شتاب g(sin θ − μk·cos θ) شتاب میگیرد، نه با g·sin θِ بدون اصطکاک. جرم بهطور کامل از این عبارت حذف میشود؛ به همین دلیل است که ردیفهای لغزشی زیر به آن وابسته نیستند.
برگهٔ کار چاپی از دانشآموزان چه میخواهد به دست آورند
- برای هر ردیف، tan(30°) را حساب کنید و با مقدار μs خود مقایسه کنید. آیا آن مقایسه پیشبینی میکند که بلوک در سکون میماند؟
- ردیفهای 1 و 2 سر جایشان میمانند؛ ردیفهای 3 تا 5 میلغزند، با سه نرخ متفاوت. توضیح دهید چرا جرم هم از شرط اصطکاک ایستایی و هم از شتاب لغزش حذف میشود، با آنکه این ردیفها سه جرم مختلف دارند.
کجا غیر از آزمایشگاه خودش را نشان میدهد
- دو راه برای رهاشدن بلوک هست: μs را تا زیر tan(30°) ≈ 0.577 پایین بیاورید، یا شیب را تا گذشتن زاویه از atan(μs) ≈ 35° تند کنید. هر دو را امتحان کنید. آیا واقعاً همان یک شرط به دو شکل نوشتهشدهاند؟
- کف کفش کوهگردی و کفش مجلسی صاف، روی همان مسیر خیس μs های بسیار متفاوتی دارند. با زبان این آزمایش توضیح دهید چرا یکی روی شیب تند بسیار ایمنتر از دیگریست.
- AP Physics 1 — Unit 3: Work, Energy, and Power
- AP Physics C: Mechanics — Unit 3: Work, Energy, and Power
- IB Physics — A.3 Work, energy and power
- General High School Physics — Work, energy & power
- NGSS High School Physics — Energy accounting in systems
- Middle School Physical Science — Force, mass, and motion
- به شیب اصطکاکی خوش آمدید
- انتخاب بلوک
- Play را بفشارید
- یافتن اصطکاک بحرانی
- بازکردن دادهها
- انجامش دادید!
شبیهسازی تعاملی را باز کنید تا صحنه را بسازید، Play را بفشارید و با اندازهگیریهای زنده و آموزش هدایتشده کاوش کنید.