Friksjonskraft - hvilefriksjon og glidefriksjon (lærerveiledning) Vanskelighetsgrad: liten Short English summary This exercise shows a study of the friction between a small wooden block and a horizontal surface both static and kinetic friction. With use of a force sensor and a datalogger it shows the frictional force as a function of time. It is also possible to add a position sensor for a closer view of the transition between static and kinetic friction. Faglig bakgrunn Vi skal trekke en kloss på et horisontalt underlag ved hjelp av en horisontal kraft. Kontaktkrefter mellom klossen og underlaget vil motvirke bevegelsen. Slike krefter kalles friksjonskrefter eller bare friksjon. Så lenge klossen ligger i ro (ingen fart), kaller vi friksjonen for hvilefriksjon eller statisk friksjon. Når klossen er i bevegelse, kaller vi friksjonen glidefriksjon eller dynamisk friksjon. Størrelsen på friksjonen er svært avhengig av hvilke materialer som glir mot hverandre. F = trekkraft R = friksjon Når klossen har konstant fart, vet vi at summen av kreftene som virker på klossen er lik null, altså ΣF = 0. Dette er Newtons 1. lov. Det virker bare to horisontale krefter på klossen, den kraften vi trekker med (F) og friksjonskraften (R). Dersom vi trekker med en jevn kraft (F) og holder langsom, jevn fart, vil trekkraften etter Newtons 1. lov være like stor som friksjonen (R), både når klossen ligger i ro og når den er i bevegelse. Newtons 1. lov: ΣF = F + R = 0 R = - F. R og F er altså like store, men de virker hver sin vei. Akkurat i det klossen kommer i bevegelse, endrer farten seg, og det blir en liten akselerasjon (a). I dette lille øyeblikket vil det ifølge Newtons 2. lov være en liten overskuddskraft i den samme retningen som akselerasjonen fordi ΣF = ma. (ΣF = F + R = ma > 0 F > - R). Med liten fart blir akselerasjonen likevel så liten at vi kan betrakte F = - R hele tiden. I dette forsøket skal vi måle kraften F og se hvordan friksjonen forandrer seg som funksjon av tiden og klossens bevegelse. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 1 av 5
Teknisk bakgrunn Til forsøket skal vi i utgangspunkt bare bruke en kraftsensor, men vi kan også bruke en posisjonssensor. Siden trekkraft (og posisjon) endrer seg raskt med tiden, bør loggeren stilles til å måle 25 50 ganger per sekund. Loggeren bør også stilles slik at kraftsensoren registrerer trekkraft som positiv (ikke skyvkraft). Utstyr - Trekloss med liten øyeskrue. NB! Klossen kan være laget av annet materiale enn tre. - Sytråd og saks - Et horisontalt underlag (kan være en bordplate) - Datalogger med kraftsensor, eventuelt også posisjonssensor. - Eventuelt datamaskin med programvare tilpasset dataloggeren. Oppstilling av utstyret Utstyret stilles opp på en måte som på bildet: Sytråden forbinder kraftsensoren med øyeskruen i klossen. Viktig: Kraftsensoren måler riktig bare dersom den får virke på linje med sytråden. Kraftsensoren bør nullstilles før hver enkelt måleserie. Nullstillingsknapp er på sensoren. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 2 av 5
Framgangsmåte Start målingene mens sytråden er slakk. Beveg hånden langsomt og med konstant fart (1 3 cm/s) til sytråden har strammet seg og deretter 10 20 cm videre med samme fart. Stopp målingene. Studér nøye grafen i dataloggeren med friksjonen (= trekkraften) som funksjon av tiden. Oppstilling og fremgangsmåte dersom vi også bruker posisjonssensoren Utstyret stilles nå opp på som bildet: Posisjonssensoren måler nå avstanden til bakre flate av klossen. Viktig: Loggeren må være innstilt slik at både kraftsensoren og posisjonssensoren måler like mange ganger per sekund! Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 3 av 5
På datamaskinen kan de to grafene se slik ut: Spørsmål til drøfting - Del inn prosessen i fire deler (i grafene over, del 1: ca. 0-2 s, del 2: ca. 2-4 s, del 3: 4-9 s og del 4: etter 9 s). Diskuter hva som hender i hver av disse periodene. - Grafen i området 4,5-9 s er ikke helt flat. Diskuter årsakene til dette. - Finn gjennomsnittlig glidefriksjon. Dette kan dataloggeren gjøre på en enkel måte, husk bare først å markere det området på grafen der gjennomsnittet skal beregnes (på grafen over frå 4,5 til 9,0 s). Vink: Bruk Verktøy Statistikk. - Diskuter hvorfor grafen har et tydelig maksimum akkurat før klossen begynner å bevege seg. Finn maksimal hvilefriksjon og sammenlign denne med gjennomsnittlig glidefriksjon. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 4 av 5
- Hvis forsøket er utført med en posisjonssensor: Kan man av grafen se om farten til klossen er konstant? Hvordan er det med akselerasjonen til klossen? Variasjoner av forsøket - Gjenta forsøket flere ganger på helt samme måte. Sammenlign resultatet av maksimal hvilefriksjon og gjennomsnittlig glidefriksjon mellom måleseriene. - Gjenta forsøket, men bruk ulik fart når vi trekker klossen. Farten skal fortsatt være konstant. Sammenlign gjennomsnittlig glidefriksjon ved ulik fart på klossen. - Gjenta forsøket for å finne gjennomsnittlig glidefriksjon, men nå med ulik last på klossen. Finn massen til klossen (m) med last ved hjelp av ei elektronisk vekt, og regn deretter ut tyngden (G) ved hjelp av formelen G = mg, der g = 9,81 N/kg. Bruk minst 3 ulike tyngder. Prøv å sette opp en hypotese for resultatet før målingene. Tegn graf som viser sammenhengen mellom tyngden (G) og glidefriksjonen (R). - Les i en fysikkbok eller et leksikon om friksjonstall (µ) også kalt friksjonskoeffisient. Stemmer sammenhengen R = µ N med egne målinger? Hva er N? Ved friksjonsmålinger bør vi bruke kraften mellom klossen og underlaget, den såkalte normalkraften (N). Denne kraften virker vinkelrett (normalt) opp fra underlaget. På horisontalt underlag vil N være like stor som tyngden G (dette følger av Newtons 1. lov når bare de to kreftene G og N virker). - Prøv å finne friksjonen (R) og friksjonstallet (µ) ved bruk av ulike materialer i glideflaten. - Hvis forsøket er utført med en posisjonssensor: I forsøket bruker vi posisjonssensoren bare til å bestemme avstanden til klossen som funksjon av tiden. Dataloggeren kan selvfølgelig også regne ut gjennomsnittsfarten (v) mellom hver måling. Du kan enkelt be dataloggeren vise en v-t-graf for de måleseriene du allerede har lagret i dataloggeren. Dette verk er lisensieret under en Creative Commons Navngivelse 3.0 Norge Lisens. Les mere om projektet på www.dlis.eu. Side 5 av 5