Z tarciem mamy do czynienia na co dzień i w technice. Bez wyjątku każdy ruch na Ziemi jest z nim związany i powoduje on straty energii i zużycie mechanizmów. Jednak bez tarcia ruch nie będzie wcale możliwy. Nie można byłoby chodzić, zatrzymać się, trzymać się czegoś itp. Zadania Zmierz siłę pozwalającą na rozpoczęcie ruchu i przesuwanie drewnianego bloku po powierzchni stołu. Wyznacz tarcie kinetyczne i statyczne dla innych materiałów, mas i powierzchni styku. Materiały 1 Cobra4 Wireless Manager 12600.00 1 Cobra4 Wireless-Link 12601.00 2 Czujnik Cobra4 Siła ± 4 N 12642.00 1 Blok do demonstracji tarcia 02240.01 1 Bolec mocujący 03949.00 1 Odważnik szczelinowy 50 g, czarny 02206.01 1 Żyłka wędkarska, l = 20 m 02089.00 1 Oprogramowanie Cobra4 licencja szkolna 14550.61 Dodatkowe materiały 1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy 1 Arkusz papieru, A5 lub A4 1 Drewniana taca lub drewniany stół Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia 1
Przygotowanie i wykonanie doświadczenia Uruchom komputer i system operacyjny Windows. Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB. Podłącz Cobra4 Wireless - Link do czujnika Force 4 N i uruchom go. Odetnij około 15 cm żyłki wędkarskiej i zrób pętle na obu końcach. Wkręć hak do czujnika siły i założyć na nim jedną pętlę żyłki. Połóż blok do demonstracji tarcia na drewnianej powierzchni stołu i na jego haku załóż drugą pętlę z żyłki. Upewnij się, że żyłka pomiędzy blokiem i czujnikiem siły jest naprężona. Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC. Włącz Wireless Link. Czujnik zostanie wykryty automatycznie i połączy się z programem (Nawigator). Załaduj doświadczenie (Eksperyment > Otwórz eksperyment) Tarcie. Ustalą się wszystkie niezbędne ustawienia wstępne do zapisu mierzonych wartości. Kliknij dwukrotnie na wejście czujnika siły w nawigatorze tak, aby pojawiło się okno ustawień kanału pomiarowego Siła F. Kliknij dwa razy na przycisk Taruj tak, aby zmienić pole Wyłączone na Włączone i zamknij okno przyciskiem. Wyświetlacz powinien teraz pokazać siłę 0,000 N. Uruchom pomiar. Rozpocznij przesuwanie bloku, za pomocą czujnika siły, po stole. Upewnij się, że żyłka jest cały czas naciągnięta. Teraz przesuwaj blok powoli i jednostajnie po stole, pamiętając o naciągniętej żyłce (spróbuj zachować stałą prędkość). Podczas zatrzymywania bloku upewnij się, że nie działa żadna dodatkowa siła czyli, że żyłka nie jest już naciągnięta. Zatrzymaj pomiaru i przenieść dane do programu głównego. Wykres powinien wyglądać taj, jak na Rysunku 2. Użyj przycisku Opcje wyświetlania w measure, aby nadać serii danych odpowiednią nazwę Nazwa. Rys. 2 Wykres dla przykładowych danych 2
Powtórz pomiary wykorzystując gumową powierzchnię klocka do demonstracji tarcia. Zapisz zmierzone wartości. Nadaj serii danych odpowiednią nazwę. Wytnij kawałek papieru o wielkości bloku, umieścić na nim blok drewniany i powtórzyć pomiar. Następnie przeprowadź eksperyment z bokiem gumowym i ciężarkiem szczelinowym o masie 50 g. W tym celu należy umieścić w otworze kołek mocujący, na jego grubszym końcu można łatwo umieścić odważnik. Ponadto, przeprowadź ostatni eksperyment umieszczając blok demonstracyjny na jednym z jego dłuższych boków, zmniejszając powierzchnię styku ze stołem. Obserwacje i wyniki pomiarów Rys. 3a: Przykład pomiaru - Eksperyment z drewnianym spodem bloku demonstracyjnego. Rys. 3b: Pomiar - Eksperyment z demonstracyjnym bokiem Rys. 3c: Przykład pomiaru - Eksperyment z papierem Analiza wyników Rys. 3d: Przykład pomiaru - Eksperyment z dłuższym bokiem klocka demonstracyjnego. Wykres przedstawia siły potrzebne do ciągnięcia bloku demonstracyjnego. Gdy jest blok się nie porusza - siła jest równa 0. Po rozpoczęciu ruchu siła wzrasta, a następnie staje się mniejsza i bardziej lub mniej stała (przy zachowaniu stałej prędkości). Po zakończeniu ciągnięcia, siły powraca do 0. Maksymalna siła działa podczas rozpoczynania ruchu, jest ona nazywana tarciem statycznym F 1. Stała siła, która działa podczas ruchu, gdy blok demonstracyjny jest ciągnięty równomiernie nazywa tarciem kinetycznym F 2. 1. W programie głównym measure wybierz narzędzie pomiar za pomocą przycisku, aby wyznaczyć F 1 i F 2 dla wszystkich pomiarów. Wprowadź dane do Tabeli 1. Tabela 1: F 1 i F 2 (dla drewnianej i gumowej powierzchni klocka demonstracyjnego) F 1 [N] Drewno Guma 3
Tabela 2: F 2 Tarcia z papierem, odważnikiem szczelinowym i dłuższy bokiem klocka Papier Odważnik szczelinowy Drewniana podłużna powierzchnia 2. Porównaj wartości sił F 1 i F 2 dla każdego pomiaru. Co zauważyłeś? 3. Wyjaśnij różnice? 4. Porównaj siłę F 2 dla drewna, gumy i papieru. Co z tego wynika? Czy możesz podać różnice sił podczas pomiaru z ciągniętym blokiem demonstracyjnym? 5. Porównaj pomiary z gumową częścią klocka z ciężarkiem i bez ciężarka. Jak różnią się siły? Jak można to wyjaśnić? 6. Porównaj pomiar z drewnianą stroną bloku tarcia z pomiarem dla drewnianego długiego boku. Co z tego wynika? 7. Lód jest bardzo śliski. Co można zrobić, aby zapobiec ślizganiu? 4
Tarcie Dlaczego samochody mają koła? Uczniowie powinni zapoznać się tutaj z podstawowymi cechami tarcia. Dzięki Cobra4 Wireless Link i czujnikowi siły, krótkie eksperymenty powinny pokazać, że tarcie zależy od rodzaju powierzchni i masy ciała, ale jest niezależne od wielkości powierzchni styku. Można też wykazać różnicę między F 1 (tarcie statyczne) i F 2 (tarcie kinetyczne). Uwagi o realizacji Należy upewnić się, że czujnik siły jest wytarowany przy zerowej prędkości powinien wskazywać brak tarcia. Ponieważ tarcie jest niezależne od prędkości, w eksperymentach nie ma znaczenia jej wartość. Ważne jest tylko to, że blok powinien być ciągnięty równomiernie: gdy prędkość jest stała, siła tarcia kinetycznego i siły uciągu równoważą się. Analiza wyników 1. F 1 i F 2 mogą być analizowane dzięki funkcji pomiaru w programie measure. Dzięki temu można dokładnie wyznaczyć badane wartości. Po kliknięciu na przycisk pojawi się na wykresie prostokąt z małymi kwadracikami w dwóch narożnikach. Za pomocą nich (i myszy) można zmieniać wielkość prostokąta, a następnie badać oznaczony obszar na wykresie. W tym celu, kliknij lewym przycisk myszy na jednym z dwóch kwadracików i przytrzymaj go. Przeciągnij mały kwadracik na pożądane miejsce i puść przycisk. Zrobić to samo z drugim kwadracikiem. Rys. 3: Pomiary Tabela 1: F 1 [N] Drewno 0,23 0,17 Guma 0,61 0,50 5
Tarcie Tabela 2: Papier 0,16 Odważnik szczelinowy 0,61 Drewniana podłużna powierzchnia 0,15 2. Tarcie statyczne jest zawsze większe niż tarcie kinetyczne. 3. Tarcie jest spowodowane przyciąganiem międzycząsteczkowym obu powierzchni, a także bruzdami. Aby ciało się poruszało należy pokonać te siły. Ciało spoczywające ma silniejszy kontakt z powierzchnią i dlatego bruzdy mają większy wpływ, podczas gdy poruszające się ciało szybuje nad nierównościami. 4. Tarcie zależy od powierzchni ciała (np. dla gładkich powierzchni jest mniejsze niż dla nierównych). Mniejsze tarcie pozwala na łatwiejsze przemieszczanie ciała: Dla papieru tarcie jest najmniejsze, a dla gumy największe. 5. Tarcie na tych samych powierzchni zależy od ciężaru ciała. Im cięższe ciało, tym bruzdy na trących powierzchniach bardziej zazębiają się. 6. Jednak tarcie nie zależny od powierzchni styku. Dla mniejszej powierzchni jest mniej bruzd, ale rośnie ciśnienie. 7. Lód można posypać piaskiem lub trocinami, co spowoduje zwiększenie chropowatości powierzchni tarcie staje się większe. 6