مفاهیم کلیدی: فیزیک، نیرو، اصطکاک، سطح تماس
مشاهده علمی ۱۷۶
مقدمه:
اصطکاک می‌تواند گاهی آزاردهنده باشد. اصطکاک می‌تواند جابه‌جایی وسایل سنگین روی زمین را دشوار کند. اما همین اصطکاک اهمیت زیادی در زندگی روزمره‌ی ما دارد. بدون اصطکاک ما قادر به راه رفتن یا حتی برداشتن وسایل از روی زمین نبودیم. فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا با اثرات جالبی از اصطکاک آشنا شوید، مثلاً غیر ممکن شدن جدا کردن دو کتاب از یکدیگر.
پیش‌زمینه:
شما هر روز اصطکاک را تجربه می‌کنید. در هنگام راه رفتن اصطکاک از سُر خوردن پاهایتان روی زمین جلوگیری می‌کند. تصور کنید تمام سطوح مانند یخ لیز بودند. در این صورت راه رفتن امکان پذیر نبود! اصطکاک نوعی نیروی فشاری یا کششی است که بر اجسام وارد می‌شود.
در علم فیزیک نیروی اصطکاک بین دو سطح توسط ضریب اصطکاک تعیین می‌شود. هر چه ضریب اصطکاک بزرگتر باشد، اصطکاک میان دو سطح بیشتر می‌شود و در واقع دو سطح کمتر لیز هستند. به عنوان مثال، کف لاستیکی کفش روی فرش ضریب اصطکاک بیشتری از چوب اسکی روی یخ دارد. مقدار اصطکاک به نیروی نرمال نیز وابسته است. در این مورد نرمال به معنای عمود بر سطح است. هر چه نیروی نرمال بیشتر باشد اصطکاک نیز بیشتر خواهد بود. به عنوان مثال دو جعبه‌ی مقوایی مشابه را روی یک سطح چوبی تصور کنید. یکی از این دو جعبه خالی و بسیار سبک و جعبه‌ی دیگر پر از وسیله و بسیار سنگین است. ضریب اصطکاک میان جعبه‌ی مقوایی و سطح برای هر دو جعبه یکسان است. با این وجود کشیدن جعبه‌ی سنگین‌تر روی سطح بسیار دشوارتر است. دلیل آن است که نیروی نرمال موجود میان جعبه و سطح در مورد جعبه‌ی سنگین‌تر بسیار بیشتر است و در نتیجه اصطکاک بیشتر است.
 |
حال به اصطکاک میان دو ورق کاغذ فکر کنید. اگر دو ورق کاغذ را روی هم قرار دهید کشیدن آنها و جدا کردنشان از هم بسیار آسان است. اما اگر تعداد ورق‌های زیادی را روی هم قرار دهید، برای مثال دو کتاب، چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا جدا کردن ورق‌ها از هم در این حالت نیز آسان است؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو کتاب هم اندازه یا دو مجله یا دفترچه‌ی ضخیم
آماده‌سازی:
دو کتاب یا دفترچه را طوری روبه‌روی هم روی یک سطح صاف قرار دهید که قسمت بسته‌ی آنها دور از هم قرار بگیرند.
روش کار:
دو کتاب را باز کنید و جلد زیرین هر دو را تا نیمه روی هم قرار دهید.
حال به صورت یکی در میان صفحات دو کتاب را یکی یکی روی هم قرار دهید به طوری که هر صفحه از کتاب سمت چپ روی صفحه‌ای از کتاب سمت راست باشد.
حدود ده صفحه را به همین ترتیب روی هم قرار دهید.
حال سعی کنید کتاب‌ها را از دو طرف بکشید و از هم جدا کنید. این کار سخت است یا آسان؟ اگر یکی از کتاب‌ها را بلند کنید کتاب دیگر در هوا متصل به آن باقی می‌ماند یا جدا می‌شود؟
مجدداً کار را از ابتدا شروع کنید و تعداد صفحات بیشتری از دو کتاب را به صورت یکی در میان روی هم بگذارید.
اکنون سعی کنید دو کتاب را از هم جدا کنید. این کار سخت است یا آسان؟ آیا یک کتاب می‌تواند وزن کتاب دیگر را در هوا تحمل کند؟
به تدریج تعداد صفحات قرار گرفته روی هم را افزایش دهید تا جایی که دیگر نتوانید دو کتاب را از هم جدا کنید. میزان نیرویی که کتاب‌ها تحمل می‌کنند برایتان عجیب است؟ برای جدا نشدن دو کتاب از هم چه تعداد صفحه از دو کتاب را روی هم قرار دادید؟
به منظور جدا کردن دو کتاب لازم است صفحات را یکی یکی جدا کنید. همچنین می‌توانید یک کتاب را نسبت به کتاب دیگر خم کنید تا صفحات آنها جدا شوند.
آزمایش تکمیلی:
این فعالیت را با دو دفتر انجام دهید که صفحات آنها قابل جدا شدن باشند. کاغذهای هر دفتر را به صورت یکی در میان از دفتر جدا کنید و این آزمایش را انجام دهید. کشیدن و جدا کردن دو دفتر از هم به سختی جدا کردن کتاب‌هاست یا تفاوتی در نتایج مشاهده می‌کنید؟ به نظرتان دلیل آن چیست؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که جدا کردن دو کتاب از هم هنگامی که تنها چند صفحه از آنها روی هم قرار گرفته است بسیار آسان است. هر چه تعداد صفحات قرار گرفته روی هم بیشتر می‌شود، جدا کردن کتاب‌ها سخت‌تر می‌گردد، تا جایی که دیگر نمی‌توان دو کتاب را با کشیدن از دو طرف از هم جدا کرد. اگر چه در این نوع آزمایش معمولاً از کتاب‌های بسیار ضخیم و بزرگ استفاده می‌شود، شما می‌توانید با استفاده از دفترچه‌های کوچک نیز نتیجه‌ی دلخواه را به دست بیاورید. آیا می‌توانید با توجه به توضیحات داده شده در بخش پیش‌زمینه دلیل مشاهدات خود را بیان کنید؟
می‌دانید که ضریب اصطکاک در این فعالیت ثابت است زیرا جنس سطوح (کاغذ) تغییری نمی‌کند. به نظر می‌رسد در هنگام کشیدن دو کتاب از دو طرف، صفحات قرار گرفته روی هم به صورت یکی در میان به هم فشرده می‌شوند که این فشردگی سبب افزایش نیروی نرمال بین آنها و در نتیجه افزایش اصطکاک کلی می‌شود. بدین ترتیب هر چه محکم‌تر دو کتاب را از دو طرف بکشید، جدا کردن صفحات از هم دشوارتر خواهد بود.
تصاویر و ویدیوهای فراوانی از این آزمایش به صورت آنلاین قابل دسترسی هستند. اما در هنگام خواندن توضیحات آنها مراقب باشید، زیرا بسیاری از این توضیحات نادرست و بر اساس تصورات غلط هستند. یکی از این تصورات نادرست این است که این اتفاق ناشی از نیروی نرمال وزن تمام صفحات به یکدیگر است. این تصور غلط است زیرا کتاب‌ها در حالت عمودی و در حالی که یک کتاب را نگه دارید و کتاب دوم آویزان باشد نیز همچنان به هم متصل می‌مانند و واضح است که در این حالت هیچ نیروی نرمالی ناشی از وارد شدن وزن صفحات به یکدیگر وجود ندارد. توضیح نادرست دیگر در مورد این پدیده آن است که افزایش سطح تماس به دلیل قرار گرفتن صفحات روی هم سبب ایجاد اصطکاک بیشتر می‌شود. در صورتیکه اگر تعداد زیادی کاغذ را روی هم قرار دهیم با وجود سطح تماس فراوان میان آنها به راحتی از هم جدا می‌شوند.
پدیده‌ای که در این فعالیت علمی رخ می‌دهد به دلیل فشرده شدن ورق‌های کاغذ با کشیدن دو کتاب به منظور جدا کردن آنها از هم است. می‌توانید این اثر را با نگاه کردن به لبه‌ی دو کتاب هنگام کشیدنشان متوجه شوید. هنگامی که کتاب‌ها را نمی‌کشید فواصل بسیار کوچکی میان بعضی از صفحات وجود دارد. با کشیدن دو کتاب این فواصل کوچک از بین می‌رود و صفحات بدون هیچ فضای بازی روی هم قرار می‌گیرند. آزمایش تکمیلی را انجام دهید تا متوجه شوید در حالتی که صفحات میانی از دو دفتر برداشته شوند چه اتفاقی می‌افتد. (با برداشتن کاغذها از هر دفتر به صورت یکی در میان، ارتفاع صفحات روی هم قرار گرفته از دو دفتر برابر با ارتفاع محل اتصال صفحات هر دو دفتر می‌شود و به همین دلیل در هنگام کشیده شدن دفترها از دو طرف این صفحات به هم فشرده نمی‌شوند.)
منبع:
Phone Book Friction
منابع مفید:
بررسی اصطکاک از طریق پرتاب اشیا روی سطح
رانش زمین
آزمایش اندازه گیری ضریب اصطکاک
ضریب اصطکاک
اصطکاک
نیرو و انواع آن-تبیان
اصطکاک-ویکیپدیا
نیروی نرمال-ویکیپدیا
Discovery.com
برای کسانی که مطلب حرفه‌ای تر می‌خوانند: (1508.03290v1)