Blokk på friksjonsrampe: å finne terskelen for statisk friksjon

1 · Prediker

En blokk ligger på en fast 30° rampe, for øyeblikket holdt på plass av statisk friksjon. Hvis du senker friksjonen mellom blokken og rampen, vil den begynne å gli — og ved hvilket punkt?

To regler gjelder i rekkefølge. Blokken holder for enhver μs ≥ tan(30°) ≈ 0,58, uavhengig av masse — og når den først slipper, er det μk, ikke μs, som setter hvor raskt den akselererer.
Blokken vil gli litt mer hver gang du senker μs, selv mens μs fortsatt er over tan(30°) — friksjonen blir bare gradvis svakere.
En tyngre blokk trenger en lavere μs for å begynne å gli enn en lettere — masse påvirker også terskelen.

2 · Oppsett

Åpne Friksjonsrampe-forhåndsinnstillingen. Noter rampens faste helningsvinkel (30°) og blokken som ligger på den, for øyeblikket holdt stillestående av friksjon.
Bruk Egenskaper-panelet (eller en delt lenke) til å sette blokkens koeffisienter for statisk (μs) og kinetisk (μk) friksjon for dette forsøket. Hold μk ≤ μs — appen håndhever det, siden en flate ikke kan gripe mindre når den er i ro enn mens den glir. Massen forblir fast.
Kjør simuleringen i noen sekunder og avles blokkens fart fra sonden. Registrer om den forble i ro eller begynte å gli.

3 · Samle inn data

Blokkmasse (kg)	Statisk friksjon (μs)	Kinetisk friksjon (μk)
1.00	0.90	0.40
2.00	0.70	0.40
3.00	0.50	0.40
2.00	0.50	0.30
2.00	0.50	0.20

Grafe tyngdekraft langs rampen (y-akse) mot blokkmasse (x-akse) for alle fem forsøkene. Er sammenhengen en rett linje? Hva representerer stigningstallet? Tre rader bruker samme masse — deler de også samme drivkraft?

4 · Analyser

For hver rad, beregn tan(30°) og sammenlign den med μs-verdien din. Forutsier den sammenligningen om blokken forblir i ro?
Rad 1–2 forblir i ro; rad 3–5 glir, med tre forskjellige hastigheter. Forklar hvorfor massen forsvinner fra BÅDE den statiske friksjonsbetingelsen og glideakselerasjonen, selv om disse radene bruker tre forskjellige masser.

5 · Utvid

Det er to måter å få blokken til å slippe: senk μs til den faller under tan(30°) ≈ 0,577, eller brattere rampen til vinkelen passerer atan(μs) ≈ 35°. Prøv begge. Er de virkelig samme betingelse skrevet på to måter?
En turstøvelsåle og en glatt dressko har svært forskjellige μs-verdier på samme våte sti. Forklar, i termer av dette eksperimentet, hvorfor den ene er mye tryggere på en bratt skråning enn den andre.

Fysikken bak dette eksperimentet

Tyngdekraftkomponent langs skråplanet

F = m·a anvendt med a = g sin θ gir den delen av blokkens tyngde som trekker den nedover skråningen. Statisk friksjon må oppheve den fullstendig for at blokken skal forblive i ro; når blokken først glir, opphever den kinetiske friksjonen bare en del av den.

Kinetisk friksjonskraft

Når blokken faktisk glir, slutter friksjonen å være en terskel og blir en bestemt kraft: f = μk·m·g·cos θ, der μk er koeffisienten for KINETISK friksjon. Den trekkes fra tyngdekraftkomponenten langs skråningen, så blokken akselererer med g(sin θ − μk·cos θ) i stedet for den friksjonsfrie g·sin θ. Massen forkortes helt bort fra det uttrykket, og det er hvorfor glideradene under ikke avhenger av den.

← Tilbake til eksperimentet

Mekanikk

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark