Symulacja zrywania tarcia statycznego na równi pochyłej
Zdarzyło Ci się stać na stromym zboczu? W porządnych butach górskich, czy w miejskim obuwiu? W suchy letni dzień, w jesienną słotę, a może mroźną zimą? Kiedy „traci się przyczepność do podłoża”? Czy to zależy od stromizny stoku? Od masy wędrowca?
Na te pytania (i wiele podobnych) znajdziesz odpowiedź korzystając z symulacji. Zawiera ona najprostszy model pozwalający rozgraniczyć pomiędzy utrzymaniem się na stromiźnie, a zsuwaniem się z niej.
Symulacja przedstawia nachyloną pod kątem równię pochyłą, w polu grawitacyjnym , z umieszczonym na niej klockiem o masie . Możesz wybrać wartość:
współczynnika tarcia klocka o równię ,
masy klocka .
RojnAeIsh4C0h
Symulacja przedstawia równię pochyłą, na której znajduje się spoczywający w chwili początkowej klocek. Zostały uwzględnione dwie siły działające na klocek – ciężar klocka, skierowany w dół, oraz siła tarcia statycznego, działająca w kierunku równoległym do powierzchni równi. Ciężar rozłożony jest na dwie składowe – dociskającą, skierowaną prostopadle do powierzchni równi, oraz zsuwającą, skierowaną równolegle do powierzchni równi. Składowa zsuwająca ma ten sam kierunek, co siła tarcia statycznego, ale przeciwny do niej zwrot – jej wektor skierowany jest w stronę podnóża równi. Symulacja pozwala na zmianę wysokości równi, a przez to również i kąta jej nachylenia. Wraz ze zwiększającą się wysokością, klocek pozostaje nieruchomy względem równi. Dzieje się tak, gdyż o ile wraz z wysokością rośnie siła zsuwająca, to jest ona kompensowana przez rosnącą również siłę tarcia statycznego. Jednak po przekroczeniu pewnej granicznej wartości wysokości siła tarcia przestaje równoważyć składową zsuwającą i klocek zaczyna poruszać się w kierunku podnóża równi. Symulacja pozwala również na zmianę współczynnika tarcia statycznego. Im większy jest współczynnik tarcia, tym większa wysokość równi, przy której klocek zaczyna się poruszać.
Symulacja przedstawia równię pochyłą, na której znajduje się spoczywający w chwili początkowej klocek. Zostały uwzględnione dwie siły działające na klocek – ciężar klocka, skierowany w dół, oraz siła tarcia statycznego, działająca w kierunku równoległym do powierzchni równi. Ciężar rozłożony jest na dwie składowe – dociskającą, skierowaną prostopadle do powierzchni równi, oraz zsuwającą, skierowaną równolegle do powierzchni równi. Składowa zsuwająca ma ten sam kierunek, co siła tarcia statycznego, ale przeciwny do niej zwrot – jej wektor skierowany jest w stronę podnóża równi. Symulacja pozwala na zmianę wysokości równi, a przez to również i kąta jej nachylenia. Wraz ze zwiększającą się wysokością, klocek pozostaje nieruchomy względem równi. Dzieje się tak, gdyż o ile wraz z wysokością rośnie siła zsuwająca, to jest ona kompensowana przez rosnącą również siłę tarcia statycznego. Jednak po przekroczeniu pewnej granicznej wartości wysokości siła tarcia przestaje równoważyć składową zsuwającą i klocek zaczyna poruszać się w kierunku podnóża równi. Symulacja pozwala również na zmianę współczynnika tarcia statycznego. Im większy jest współczynnik tarcia, tym większa wysokość równi, przy której klocek zaczyna się poruszać.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
1
Polecenie 1
Zwiększaj stopniowo wysokość lewego końca równi przedstawionej na symulacji - zwiększa się wtedy kąt . Obserwuj zmiany wartości sił (także ich składowych) działających na klocek. Zwróć uwagę, że w miarę zwiększania się stromizny równi, zmienia się także wartość maksymalna siły tarcia statycznego. Staraj się uchwycić graniczną wartość , przy której następuje zerwanie tarcia statycznego. Klocek traci wtedy przyczepność i ześlizguje się z równi. Czy wartość zależy od masy klocka?
uzupełnij treść
Aby odpowiedzieć na pytanie, czy wartość zależy od masy klocka, staraj się uchwycić tę wartość dla kilku różnych mas (np. , , ...).
Polecenie 1
RPSxgtgfxUvna
Symulacja pozwala również na zmianę masy klocka. Zastanów się nad tym, jak ta wielkość wpływa na graniczną wysokość równi (graniczny kąt), po przekroczeniu której klocek zaczyna się poruszać. Możliwe odpowiedzi: 1. Masa nie wpływa na graniczną wysokość., 2. Graniczna wysokość maleje wraz z rosnącą masą., 3. Graniczna wysokość rośnie wraz z rosnącą masą.
Polecenie 2
R9FDtptPlELFn
W miarę zwiększania się stromizny równi, maleje wartość maksymalna siły tarcia statycznego Tmax. Wskaż bezpośredni powód tej zmiany. Możliwe odpowiedzi: 1. Maleje współczynnik tarcia statycznego f klocka o równię., 2. Wzrasta wartość siły naciski Fn klocka na równię., 3. Maleje wartość siły naciski Fn klocka na równię., 4. Wzrasta wartość składowej ciężaru, równolegeja do równi Fz.
W miarę zwiększania się stromizny równi, maleje wartość maksymalna siły tarcia statycznego . Wskaż bezpośredni powód tej zmiany.
Maleje współczynnik tarcia statycznego klocka o równię.
Wzrasta wartość siły nacisku klocka na równię.
Maleje wartość siły nacisku klocka na równię.
Wzrasta wartość składowej ciężaru, równoległej do równi .
Polecenie 3
R1bWTpUKrfI4t
Ciało spoczywa początkowo na równi o nachyleniu α = 50. Współczynnik tarcia statycznego f > 0. Wskaż charakter zmiany sił (składowych sił) w miarę zwiększania kąta α, wartości następujących będą rosnąć / maleć / pozostaną bez zmian: ciężar mg nie zmieni się, zmaleje, wzrośnie
składowa zsuwająca mg,
składowa dociskająca mg,
siła tarcia statycznego,
maksymalna siła tarcia statycznego.
Ciało spoczywa początkowo na równi o nachyleniu α = 50. Współczynnik tarcia statycznego f > 0. Wskaż charakter zmiany sił (składowych sił) w miarę zwiększania kąta α, wartości następujących będą rosnąć / maleć / pozostaną bez zmian: ciężar mg nie zmieni się, zmaleje, wzrośnie
składowa zsuwająca mg,
składowa dociskająca mg,
siła tarcia statycznego,
maksymalna siła tarcia statycznego.
Ciało spoczywa na równi, której początkowe nachylenie jest równe . Współczynnik tarcia statycznego . Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił), gdy kąt zacznie się zwiększać.
4. wartość siły tarcia statycznego {#wzrośnie} {nie zmieni się} {zmaleje} ,
5. maksymalna wartość siły tarcia statycznego {wzrośnie} {nie zmieni się} {#zmaleje} .
Polecenie 4
R1LQqmjz9QyRF
Klocek spoczywa na nachylonej równi. Nagle doszło (np. wskutek zmiany temperatury i właściwości powierzchni) do samoczynnego wzrostu współczynnika tarcia statycznego klocka o równię f. Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji. ciężar klocka wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa zsuwająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa dociskająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
maksymalna siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
Klocek spoczywa na nachylonej równi. Nagle doszło (np. wskutek zmiany temperatury i właściwości powierzchni) do samoczynnego wzrostu współczynnika tarcia statycznego klocka o równię f. Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji. ciężar klocka wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa zsuwająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa dociskająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
maksymalna siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
Klocek spoczywa na nachylonej równi. Nagle doszło (np. wskutek zmiany temperatury i właściwości powierzchni) do samoczynnego wzrostu współczynnika tarcia statycznego klocka o równię . Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji.
4. wartość siły tarcia statycznego {wzrośnie} {#nie zmieni się} {zmaleje} ,
5. maksymalna wartość siły tarcia statycznego {#wzrośnie} {nie zmieni się} {zmaleje} .
Polecenie 5
RJMEAisflRddd
Ciało spoczywa na równi o niezerowym nachyleniu. Taki układ przenosimy na Marsa (przyspieszenie grawitacyjne przy jego powierzchni ma mniejszą wartość niż ziemskie g). Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji. ciężar klocka wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa zsuwająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa dociskająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
maksymalna siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
Ciało spoczywa na równi o niezerowym nachyleniu. Taki układ przenosimy na Marsa (przyspieszenie grawitacyjne przy jego powierzchni ma mniejszą wartość niż ziemskie g). Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji. ciężar klocka wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa zsuwająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
składowa dociskająca ciężaru wzrośnie nie zmieni się zmaleje
siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
maksymalna siła tarcia statycznego wzrośnie nie zmieni się zmaleje
Ciało spoczywa na równi o niezerowym nachyleniu. Taki układ przenosimy na Marsa (przyspieszenie grawitacyjne przy jego powierzchni ma mniejszą wartość niż ziemskie ). Wskaż charakter zmiany wartości sił (składowych sił) w takiej sytuacji.
