Badanie zależności siły tarcia od siły nacisku

Wykorzystaj Wirtualne laboratorium do przeprowadzenia dwuczęściowego badania zależności siły tarcia kientycznego klocka o poziomą powierzchnię od nacisku jaki wywiera na nią klocek.

Część pierwsza polega na obserwacji ruchu klocka przy różnych obciążeniach, wywołanego siłą o różnych wartościach. Wyciągnięte wnioski będą miały charakter jakościowy.
Część druga polega na poparciu jakościowego wnioskowania graficzną analizą wykresu przedstawiającego uzyskane wyniki.

Doświadczenie 1

Obserwacja i wnioskowanie jakościowe

Problem badawczy

Celem eksperymentu jest zbadanie, jaki wpływ ma nacisk ciała na podłoże na siłę tarcia kinetycznego działającą na ciało.

Hipoteza

Można sobie wyobrazić, że jeśli powierzchnie klocka i podłoża zostaną mocniej dociśnięte, to trudniej będzie pokonać występujące na nich nierówności. To przekonanie uzasadnia postawienie hipotezy badawczej:

Wartość siły tarcia kinetycznego jest tym większa, im większa jest wartość siły nacisku pomiędzy powierzchniami.

Co będzie potrzebne
  1. Przycisk LICZBA KLOCKÓW. Do dyspozycji masz pięć jednakowych klocków. Z podłożem styka się jedynie najniższy; jest on także połączony z siłomierzem. Pozostałe klocki, o takich samych masach, służą do zmiany nacisku dolnego klocka na podłoże.

    Rh7zFtqXQi4T9
    Parametry klocka w Wirtualnym laboratorium
    Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

  2. Podłoże jest wypoziomowane i ma jednorodną powierzchnię.

  3. Przycisk WYBÓR SIŁY. Wybierasz za jego pomocą wartość siły z jaką siłomierz ciągnie klocek.

  4. Przyciskiem START uruchamiasz pomiar. Na klocek działa siła o wybranej wartości oraz siła tarcia

  5. Pomiar trwa kilka sekund i kończy się samoczynnie. Po jego zakończeniu możesz odczytać wartość siły na powiększonej skali siłomierza.

  6. Informacje o każdym pomiarze są zapisywane w tabeli. W kolumnie NIEPEWNOŚĆ F wyświetlana jest wartość niepewności granicznej 

  7. Po zakończonej serii całą tabelę możesz zaznaczyć i skopiować do arkusza kalkulacyjnego.

  8. Przycisk WYCZYŚĆ WYNIKI powoduje usunięcie wszystkich wyników z  tabeli.

Instrukcja

1. Przeprowadź, we własnym zakresie, wstępne rozpoznanie obsługi Wirtualnego laboratorium. Zwróć uwagę na sposób wyboru wartości siły. Czy siła zmierzona siłomierzem jest zgodna z Twoim nastawieniem? Obserwuj także zachowanie klocka w trakcie trwania pomiaru.

2. Zapoznaj się z komunikatami pojawiającymi się w kolumnie „WYNIK PRÓBY” tabeli. Przeanalizuj wstępnie wyniki - jak można je uporządkować?

RGk20ZJ3Fy9YQ
Tekst alternatywny w opracowaniu.

Rysunek przedstawia tabelę wyników. Na górze po lewej stronie jest "liczba klocków" a po prawej stronie jest polecenie "wyczyść wyniki". Po środku ekranu jest czerwony klocek. Po lewej stronie na dole jest przycisk "start" a po prawej stronie "wybór siły". Poniżej tabela wyników, która zawiera od lewej kolumny: L.P., liczba klocków, masa układu [g], F [N], niepewność F [N] i wynik próby.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

3. Zacznij pomiary od najmniejszej masy stosu. Dobierz, metodą prób i błędów, taką wartość siły która umożliwia Ci określenie wartości siły tarcia W razie wątpliwości wykonaj polecenie 1.

1
Polecenie 1
RKFoHelUk4QQu
Wskaż warunek pozwalający określić wartość siły tarcia T na podstawie odczytanej wartości siły F Możliwe odpowiedzi: 1. asldghasipdh

Zapisz krótkie uzasadnienie prawidłowego wskazania w poleceniu.

uzupełnij treść

4. Zwiększaj liczbę klocków na stosie. Dla każdego stosu przeprowadź tyle pomiarów, by mieć pewność, że możesz jednoznacznie określić wartość siły tarcia Odczytuj i interpretuj pojawiające się wpisy; przenoś je do Tabeli wyników w Dzienniku badań.

RGz4faX9S4SEW
Data badania:. Plan pracy (Uzupełnij). Tabela wyników. Lp. klocekA/B/C. pow. styku(dm2). F(N). ΔF(N). wynikpróby. (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). Rozstrzygnięcie hipotezy, argumentacja, konkluzje (Uzupełnij).
Podsumowanie

a) Rozstrzygnij hipotezę badawczą. Zapisz swoje rozstrzygnięcie, wraz z jego uzasadnieniem, w Dzienniku badań.

b) Odnieś się do wpływu niepewności pomiaru siły na rozstrzygnięcie hipotezy badawczej. Swój pogląd, wraz z argumentacją, zapisz w Dzienniku badań.

Doświadczenie 2
Ilościowe badanie charakteru zależności siły tarcia kinetycznego od siły nacisku pomiędzy stykającymi się powierzchniami.
Problem badawczy

Celem eksperymentu jest ilościowe potwierdzenie, na podstawie analizy graficznej, charakteru zależności siły tarcia kinetycznego od nacisku pomiędzy powierzchniami.

Hipoteza

Wartość siły tarcia kinetycznego  jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku  pomiędzy powierzchniami

Co będzie potrzebne

Wykorzystaj wyposażenie Wirtualnego laboratorium.

Instrukcja

Dzięki pomiarom wykonanym w doświadczeniu 1. dysponujesz zapewne pięcioma wartościami siły które wywołują ruch jednostajny stosu o coraz to większej liczbie klocków i pozwalają wyznaczyć wartość siły tarcia Jeśli chcesz je wykorzystać w tej analizie, przenieś niezbędne informacje do Dziennika pomiarów. Możesz też powtórzyć pomiary dla dowolnych spośród tych pięciu obciążeń stosu.

RGk20ZJ3Fy9YQ
Tekst alternatywny w opracowaniu.

Rysunek przedstawia tabelę wyników. Na górze po lewej stronie jest "liczba klocków" a po prawej stronie jest polecenie "wyczyść wyniki". Po środku ekranu jest czerwony klocek. Po lewej stronie na dole jest przycisk "start" a po prawej stronie "wybór siły". Poniżej tabela wyników, która zawiera od lewej kolumny: L.P., liczba klocków, masa układu [g], F [N], niepewność F [N] i wynik próby.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
RFMtfXEAxUI4B
Data:. Plan pracy (Uzupełnij). Tabela wyników dla klocka (Uzupełnij). Lp. T(N). |T-Tśr|(N). (T-Tśr)2(N2). Lp. T(N). |T-Tśr|(N). (T-Tśr)2(N2). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij). Łączna liczba pomiarów:N= (Uzupełnij) Średnia wartość siły:Tśr= (Uzupełnij) Niepewność - przyczynek od rozrzutu:uA(T)= (Uzupełnij) Niepewność - przyczynek od rozdzielczości:uB(T)= (Uzupełnij) Niepewność standardowa pomiaru siły:u(T)= (Uzupełnij) Końcowy wynik:T= (Uzupełnij).
Podsumowanie
Polecenie 2

Uzupełnij tabelę o wartości:
- masy stosu ,
- siły nacisku stosu na powierzchnię ,
- siły tarcia ,
- jej niepewności standardowej , związanej z dokładnością skali siłomierza.

Przyjmij dla potrzeb dalszej analizy, że dokładność, z jaką podana jest masa pojedynczego klocka jest lepsza niż 0,1%. Tak więc niepewność może być pominięta wobec niepewności

Polecenie 3

a) skopiuj tabelę wyników do zeszytu lub do arkusza kalkulacyjnego;

b) w odpowiednio dobranych współrzędnych nanieś punkty pomiarowe zależności wartości siły tarcia od siły nacisku;

c) rozważ celowość naniesienia na wykres odcinków niepewności pomiaru siły tarcia ΔT;

d) poprowadź w pobliżu punktów pomiarowych linię prostą, którą uznasz za najlepiej dopasowaną do tych punktów;

e) prowadząc prostą zdecyduj, czy wymuszasz jej przechodzenie dokładnie przez punkt (0; 0) układu współrzędnych; swoją decyzję zapisz i uzasadnij w Dzienniki pomiarów;

f) rozstrzygnij hipotezę dotyczącą charakteru zależności T(N).

W razie potrzeby przypomnij sobie zasady postępowania opisane w e‑materiałach „Jak dopasować prostą do wyników pomiarów” oraz „Przedstawianie niepewności pomiarowych w formie graficznej”

Ćwiczenie 1
RnRyFEGGKc9JW
W Wirtualnym laboratorium kolejne klocki kładziesz na najniższy, zwiększając w ten sposób jego nacisk na podłoże. Wyobraź sobie, że zamiast tego zaprojektowano możliwość doczepienia klocka do tego, który jest przyczepiony do siłomierza. W ten sam sposób doczepiane byłyby kolejne klocki. Czy wykorzystanie tej możliwości pozwoliłoby osiągnąć cele eksperymentu? A może wręcz ułatwiłoby Ci to pracę?.
Ćwiczenie 2
R1CHizWzONo2s
.
Laboratorium 1

Na ekranie, w jego środkowym obszarze, pokazany jest obraz laboratorium. Głównym elementem jest płaski, poziomy stół widziany z boku w postaci czarnego prostokąta. Na powierzchni stołu umieszczony jest klocek, symbolizowany przez czerwony prostokąt. Ściana za powierzchnią i klockiem jest pokryta kilkudziesięcioma cienkimi pionowymi paskami, gęsto ułożonymi, kolorystycznie słabo odcinającymi się od jasnoszarej ściany. W lewym górnym rogu ekranu umieszczony jest przycisk „Liczba klocków”. Otwiera on okno dialogowe zasłaniające część ekranu. W oknie możesz wybrać liczbę klocków w stosie, położonym na powierzchni stołu. Dostępne są wartości od jeden do pięciu. Obok każdej wartości pokazany jest graficzny obraz wskazywanego stosu, na tle pokratkowanego fragmentu ekranu. Kolejne stosy są coraz wyższe. Po prawej stronie stosów podane są masy każdego z nich, od stu gramów do pięciuset gramów. Po kliknięciu na wybraną liczbę klocków okno dialogowe się zamyka a wybrany stos pojawia się na czarnej powierzchni. W prawym górnym rogu umieszczony jest przycisk „Wyczyść wyniki”. Jego użycie powoduje usunięcie wyników wszystkich wykonanych pomiarów. Pod powierzchnią ze stosem, po prawej stronie ekranu, jest przycisk „Wybór siły”. Otwiera on kolejne okno dialogowe. Widać na nim poziomo ułożoną skalą siłomierza, w zakresie od zera do jedności. Skala jest opisana po prawej stronie jednostką „N”. Wartości co jedna dziesiąta niutona są zaznaczone krótkimi pionowymi kreskami; co druga z nich, począwszy od zera, jest opisana. Wartości odpowiadające dwóm, czterem itd. setnym częściom niutona są zaznaczone kreskami krótszymi. Pod skalą widnieje dziesięć przycisków wyboru wartości siły F, od jednej dziesiątej niutona do jednego niutona. Po kliknięciu na wybraną wartość okno dialogowe się zamyka. Poniżej powierzchni ze stosem, po lewej stronie ekranu, jest przycisk „Start”. Uruchamia on pomiar, czyli badanie ruchu wybranego stosu klocków pod wpływem siły F o wybranej wartości, w obecności siły tarcia. Jeśli stos nie zostaje ruszony z miejsca, pionowe paski na ścianie pozostają nieruchome. W przeciwnym razie przemieszczają się one w lewo, symbolizując przemieszczenie stosu w prawo. Ruch pasków jest jednostajny albo przyspieszony – odpowiada to charakterowi ruchu klocka. Do dolnego klocka w stosie zostaje doczepiony siłomierz, za pomocą którego stos ciągnięty jest w prawo. Nad siłomierzem zostaje zaczepiona strzałka celująca w prawo, z opisem „F ze strzałką”. Od lewej strony tego klocka zostaje zaczepiona strzałka celująca w lewo, z opisem „T ze strzałką”. W miejscu przycisku „Start” pojawia się wirująca w kółko linia, obok której za pomocą liczb odliczany jest czas od pięciu sekund wstecz do zera. Po upływie pięciu sekund samoczynnie otwiera się okno dialogowe z napisem „Wynik” oraz poziomo ułożoną skalą siłomierza, taką jak przy wyborze siły. Na tej skali można odczytać położenie czerwonej wskazówki, pokazującej wartość wskazań siłomierza podczas pomiaru. Po odczycie okno zamyka się przyciskiem „x”. Dolną część ekranu zajmuje „Tabela wyników”. Jej wiersz nagłówkowy jest zawsze widoczny i opisuje zawartości kolumn, kolejno: „Liczba porządkowa”, „Liczba klocków”, „Masa układu (g)”, „F (N)”, „Niepewność F (N)”, „Wynik próby”. Po każdym wykonanym pomiarze dodawany jest jeden wiersz, w którym zapisywane są wybrane dla tego pomiaru parametry: liczba klocków wraz z ich masą oraz siła F ciągnąca za stos wraz z jej niepewnością graniczną Delta F. W ostatniej kolumnie pojawia się informacja o skutku przyłożenia zadanej siły. Trzy możliwe wpisy to „Brak ruchu”, „Ruch jednostajny”, „Ruch przyspieszony”.

Interpretacja i podsumowanie wyników eksperymentu

Polecenie 1
RyNKQ8nxp1htD
W przedostatniej kolumnie tabeli wyników Wirtualnego laboratorium wpisywana jest graniczna niepewność odczytu siły F. Wartość ΔF=0,02 N jest zawsze taka sama niezależnie od zmierzonej wartości siły. Wskaż najbardziej trafny komentarz do tego faktu. Możliwe odpowiedzi: 1. Jest to dwukrotność rozdzielczości siłomierza, która jest równa 0,01 N., 2. Jest to zgodne z rozdzielczością siłomierza, która jest równa właśnie 0,02 N., 3. Jest to nieco mniej niż połowa rozdzielczości siłomierza, która jest równa 0,05 N., 4. Jest to wielkość pożądana dla prowadzonego eksperymentu, bez związku z rozdzielczością siłomierza.
Polecenie 2

Przeanalizuj fragment tabeli z wynikami uzyskanymi dla trzech pomiarów stosu z trzema klockami. Twoim zadaniem jest rozstrzygnięcie następującego problemu: w jaki sposób na podstawie wartości siły ciągnącej klocek można określić wartość siły tarcia kinetycznego ?

Tabela 1. Wyniki dla trzech sił przyłożonych do tego samego stosu

Lp.

Liczba klocków

masa układu (g)

F (N)

Niepewność F (N)

Wynik próby

1

3

300

0,48

0,02

brak ruchu

2

3

300

0,59

0,02

ruch jednostajny

3

3

300

0,69

0,02

ruch przyspieszony

RaF7l6kI6Xl0B
ruch, tarcie, tarcie statyczne, tarcie dynamiczne, współczynnik tarcia, pomiar, siła tarcia, wirtualne laboratorium Należy w tym celu wykorzystać próbę, której wynikiem był 1. T=12F, 2. T=2F., 3. kinematycznego, 4. brak ruchu., 5. statycznego, 6. T=F, 7. ruch jednostajny, 8. ruch przyspieszony. Tyko w tym bowiem przypadku mamy pewność, że siła tarcia 1. T=12F, 2. T=2F., 3. kinematycznego, 4. brak ruchu., 5. statycznego, 6. T=F, 7. ruch jednostajny, 8. ruch przyspieszony oraz siła wskazywana przez siłomierz spełniają związek 1. T=12F, 2. T=2F., 3. kinematycznego, 4. brak ruchu., 5. statycznego, 6. T=F, 7. ruch jednostajny, 8. ruch przyspieszony.

Rozstrzygnięcie hipotez badawczych

Hipoteza #1. Wartość siły tarcia kinetycznego jest tym większa, im większa jest wartość siły nacisku pomiędzy powierzchniami.

Polecenie 3

Przeanalizuj uproszczoną tabelę wyników pięciu eksperymentów.

Tabela 2. Wyniki dla pięciu różnych stosów

Lp.

Liczba klocków

F (N)

Niepewność F (N)

Wynik próby

1

1

0,20

0,02

ruch jednostajny

2

2

0,41

0,02

ruch jednostajny

3

3

0,59

0,02

ruch jednostajny

4

4

0,82

0,02

ruch jednostajny

5

5

1,01

0,02

ruch jednostajny

RbFSxtDGTO4uj
Uzupełnij poniższą wypowiedź, by stanowiła rozwiązanie problemu związu siły tarcia T z siłą F.

Hipoteza #2.Wartość siły tarcia kinetycznego  jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku  pomiędzy powierzchniami.

Polecenie 4

Przeanalizuj zmodyfikowaną tabelę wyników pięciu eksperymentów, opisanych w tabeli 2. We wszystkich przypadkach uzyskano ruch jednostajny stosu pod wpływem przyłożonej siły . Nacisk stosu na poziome podłoże jest równy jego ciężarowi. Został on obliczony ze wzoru w którym wykorzystano przybliżoną wartość Iloczyny oraz ilorazy sił nacisku i tarcia podano z dokładnością do trzech cyfr znaczących.

Tabela 3. Wyniki dla pięciu różnych stosów po opracowaniu i uzupełnieniu

Liczba klocków

siła nacisku stosu
(N)

siła tarcia


(N)

Niepewności
 oraz
(N)

Iloczyn
(NIndeks górny 2)

Iloraz

1

1

0,20

0,02

0,200

0,200

2

2

0,41

0,02

0,820

0,205

3

3

0,59

0,02

1,77

0,197

4

4

0,82

0,02

3,28

0,205

5

5

1,01

0,02

5,05

0,202

RwCnvIgYYMQ46
Wskaż najbardziej trafne uzupełnienie notatki zawierającej rozstrzygnięcie hipotezy #2. Wyniki eksperymentu są zgodne z hipotezą nie pozwalają rozstrzygnąć hipotezy są sprzeczne z hipotezą. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrastającą wartością siły nacisku N wzrasta również siła tarcia T, przy czym ich {} iloraz nie ma stałej wartości. Konieczne jest wykonanie większej liczby pomiarów, najlepiej z dokładniejszym siłomierzem.
# iloraz ma wartość praktycznie stałą. Drobne odstępstwa od stałej wartości wynikają z niepewności pomiarowej i są dopuszczalne.
{} iloczyn nie ma stałej wartości, nawet jeśli uwzględni się niepewność pomiarową sił T oraz F.