Block på friktionsramp: Hitta tröskeln för statisk friktion

1 · Förutsäg

Ett block ligger på en fast 30°-ramp och hålls just nu på plats av statisk friktion. Om du sänker friktionen mellan blocket och rampen, kommer det att börja glida — och vid vilken punkt?

Två regler gäller i tur och ordning. Blocket håller för varje μs ≥ tan(30°) ≈ 0.58, oberoende av massan — och när det väl släpper är det μk, inte μs, som bestämmer hur snabbt det accelererar.
Blocket glider lite mer för varje gång du sänker μs, även medan μs fortfarande är över tan(30°) — friktionen blir bara gradvis svagare.
Ett tyngre block behöver lägre μs för att börja glida än ett lättare — massan påverkar också tröskeln.

2 · Uppbyggnad

Öppna förinställningen Friktionsramp. Notera rampens fasta lutningsvinkel (30°) och blocket som ligger på den och just nu hålls still av friktionen.
Använd panelen Egenskaper (eller en delad länk) för att ställa in blockets friktionskoefficienter för statisk (μs) och kinetisk (μk) friktion för detta försök. Håll μk ≤ μs — appen tvingar fram det, eftersom en yta inte kan grepa sämre i vila än den gör medan den glider. Massan är fast.
Kör simuleringen i några sekunder och läs av blockets fart på proben. Notera om det stannade i vila eller började glida.

3 · Samla data

Blockmassa (kg)	Statisk friktion (μs)	Kinetisk friktion (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

Rita gravitationskraften längs rampen (y-axeln) mot blockmassan (x-axeln) för alla fem försök. Är sambandet en rät linje? Vad representerar lutningen? Tre rader använder samma massa — delar de också samma drivande kraft?

4 · Analysera

Beräkna tan(30°) för varje rad och jämför med ditt μs-värde. Förutsäger jämförelsen om blocket stannar i vila?
Raderna 1–2 står kvar; raderna 3–5 glider, med tre olika hastigheter. Förklara varför massan försvinner ur BÅDE villkoret för statisk friktion och glidaccelerationen, även om dessa rader använder tre olika massor.

5 · Utvidga

Det finns två sätt att få blocket att släppa: sänk dess μs tills den hamnar under tan(30°) ≈ 0.577, eller gör rampen brantare tills vinkeln passerar atan(μs) ≈ 35°. Prova båda. Är det verkligen samma villkor skrivet på två sätt?
Sulorna på en vandringskäng och ett par släta herrskor har mycket olika μs-värden på samma blöta stig. Förklara, utifrån detta experiment, varför det ena är mycket säkrare än det andra på en brant sluttning.

Fysiken bakom det här experimentet

Gravitationskomposanten längs det lutande planet

F = m·a tillämpat med a = g sin θ ger den del av blockets tyngd som drar det nedför sluttningen. Den statiska friktionen måste ta ut den helt för att blocket ska stå still; när blocket väl glider tar den kinetiska friktionen bara ut en del av den.

Kinetisk friktionskraft

När blocket verkligen glider upphör friktionen att vara en tröskel och blir en bestämd kraft: f = μk·m·g·cos θ, där μk är koefficienten för KINETISK friktion. Den subtraheras från gravitationskomposanten längs sluttningen, så blocket accelererar med g(sin θ − μk·cos θ) i stället för det friktionsfria g·sin θ. Massan försvinner helt ur uttrycket, vilket är varför de glidande raderna nedan inte beror på den.

← Tillbaka till experimentet

Mekanik

138 gratis utskrivbara labblad i fysik