최대 정지마찰계수 실험 - choedae jeongjimachalgyesu silheom

본문내용

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위의 표는 임계각과 마찰계수를 이용하여 물체(시료)의 질량을 100g으로 놓고, 중력상수를 10m/s로 놓고서 수직항력과 최대정지 마찰계수를 구해보았다.
최대 정지 마찰력은 물체가 움직이기 직전의 정지 마찰력을 말한다.
Fs = μN ( Fs : 최대정지마찰력, μ: 최대정지마찰계수, N : 수직항력)이라는 식에서 수직항력과 최대정지 마찰계수와의 관계는 반비례 관계이며, 수직항력과 최대정지 마찰력은 비례관계인데 이것을 실험에 의한 값을 이용하여 그래프(시료1의 아크릴면 - 변화가 뚜렷하게 나타남)를 그려보면 다음과 같으며 각각의 관계를 알 수 있다.
위 실험에서도 빗면에 시료를 계속 같은 지점에 올려야 실험의 오차를 그나마 줄일 수 있으며, 또한 물론 빗면을 올려 임계각을 찾음에 있어서도 빗면을 올리는 힘을 일정하게 해야 된다는 것을 알게 되었다.
그리고, 빗면이 움직이고 있고 시료가 빗면위에서 움직이는 시점에서 임계각을 읽어야 하므로 시료가 움직이는 때에 정확하게 빗면을 멈추고 각을 읽을 수 있어야 오차를 줄일 수 있다는 것도 알 수 있었다.
11. 참고문헌
일반물리학실험, 한국물리학회, 청문각

마찰계수 실험 (friction factor experiment)

◎ 실험 목적
  - 접촉하고 있는 물체들의 표면에 작용하는 마찰력을 이해하고 측정해 본다.

◎ 마찰력 (Frictional force)
  - 물체의 운동을 방해하는 힘
    다른 두 물체가 접촉한 상태에서 움직이려고 할 때 서로 표면에 평행한 마찰력이 작용한다.
    접촉면을 따라서 힘이 생기며 움짐을 가한 힘의 반대 방향으로 운동을 방해하는 힘
    크게 정지 마찰력과 운동 마찰력으로 구분된다.

 ◎  정지 마찰력
    - 물체가 정지하고 있는 동안 받는 마찰력
      마찰력의 크기 : 외력의 크기와 같음
      마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
      힘의 평형상태 : 물체의 외력과 정치 마찰력

◎  운동 마찰력 
    - 물체가 운동하고 있는 동안 받는 마찰력
      마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
      정지 마찰력과 다르게 운동 마찰력의 크기는 외력 크기와 다르다.

◎ 수직 항력 (Normal force)
   - 표면이 표면에 대해 수직 하게 물체를 떠받치는 힘
     물체가 표면에 가하는 힘과 함께 서로 작용-반작용 관계

정지 영역은 정지 마찰력으로 외력과 크기가 같고 방향이 반대 이기 때문에 비례 그래프를 보인다 
(물체가 움직이지 않는다)

최대 정지 마찰력을 넘어서면 물체가 움직이기 시작하면서 외력과 마찰력의 크기가 달라진다. 
(외력 - 운동 마찰력 = 물체가 움직이는 힘이 된다)

일상생활에서 책상이나 박스 등 물체를 움직일 때 작은 힘에는 움직이지 않다가 어느 일정 크기의 힘이
넘어가면 물체가 움직이기 시작하는 이유가 최대 정지 마찰력을 넘기기 때문이다.

◎ 실험 방법

도르래를 기점으로 질량(M)의 박스와 질량(m)의 추를 나누어 보자

1. 박스
   박스의 진행 방향으로 장력 T가 발생이 되고 진행 방향의 반대 방향으로 마찰력이 발생한다.
   그래서 박스가 움직이는 힘 F= Ma =T - f(운동 마찰력) 이 된다.

2. 추
   추는 중력에 의해 밑으로 W=mg로 움직이고 윗 방향으로 장력 T를 받게 된다.
   그래서 추가 움직이는 힘 F =ma =mg - T

박스와 추의 움직이는 힘 중 장력 T가 공통되기 때문에 T로 정리를 하면

   1. 박스 :  T = Ma + f(운동 마찰력)
   2.  추   :  T = mg - ma 
                 -> Ma + f = mg - ma   -> (M+m) a =mg - f  이걸 정리해 보면    

다음과 같이 운동 마찰계수를 구할 수 있다.

자유낙하 실험에서 사용한 실험장비와 같이 광학 센서와 도르래를 이용하여 가속도(a)를 실험을 통하여 구하면

계산을 통해 마찰계수를 구할 수 있다.