مفاهیم کلیدی: فیزیک، اصطکاک، حرکت، ماده
مشاهده علمي ۱۶۳
مقدمه:
آیا تا به حال سعی کرده‌اید پس از دویدن روی یک سطح چوبی با جوراب در انتهای مسیر روی کف سر بخورید؟ اگر همین کار را روی یک سطح دارای فرش یا با کفش انجام دهید چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ مقدار اصطکاک میان پای شما و سطح زمین تعیین می‌کند که چقدر راحت روی زمین سر بخورید. برخی از ترکیب‌های سطوح مانند جوراب روی کف چوبی، اصطکاک بسیار کمی ایجاد می‌کنند.
برخی دیگر مانند کفش با کفه‌ی لاستیکی روی کف چوبی اصطکاک بیشتری تولید می‌کنند. در این فعالیت علمی شما آزمایشی در مورد اصطکاک در ابعاد کوچک با پرتاب اشیای ریز روی سطح توسط یک کش لاستیکی انجام خواهید داد. به نظر شما اصطکاک چه تأثیری بر مسافتی که جسم روی سطح طی می‌کند دارد؟
پیش‌زمینه:
اصطکاک نیروی مخالف حرکت است که بین دو جسم در تماس با هم به وجود می‌آید. اصطکاک بخش بسیار مهمی از زندگی روزمره‌ی ما را تشکیل می‌دهد. بدون اصطکاک ما انسان‌ها قادر به راه رفتن نیستیم زیرا پای ما همیشه روی زمین سُر می‌خورد! اصطکاک بالا در مواردی برای برخی سطوح بسیار مهم است، مانند لاستیک ماشین در جاده‌ها. گاهی نیز علاقه‌مندیم سطوح اصطکاک پایینی داشته باشند، مانند زمانی که می‌خواهید در پارک سرسره بازی کنید یا روی برف سورتمه سواری کنید، مقدار اصطکاک بسته به نوع موادی که در تماس با هم قرار می‌گیرند متفاوت است.
عامل موثر دیگر بر اصطکاک روی یک جسم وزن آن است. تصور کنید می‌خواهید دو جعبه با جنس مشابه را هل دهید که یکی از دیگری سنگین‌تر است. برای حرکت دادن جعبه‌ی سنگین‌تر باید فشار بیشتری به آن وارد کنید. علت آن است که جاذبه جعبه‌ی سنگین‌تر را به سمت پایین می‌کشد و سبب افزایش اصطکاک آن با سطح زمین می‌شود. در این فعالیت علمی شما وزن اجسام مورد استفاده را ثابت نگه می‌دارید و بدون نگرانی در مورد اثر گرانش، تأثیر جنس مواد مختلف بر اصطکاک را بررسی خواهید کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
کش لاستیکی
پنج یا شش عدد سکه
نوار چسب
یک سطح چوبی صاف، مانند میز یا کف زمین (اگر سطح چوبی صاف در دسترس‌تان نیست می‌توانید به عنوان جایگزین از یک سطح صاف مانند روی کابینت استفاده کنید.)
یک سطح که روی آن فرش یا موکت باشد. (اگر به چنین سطحی دسترسی ندارید، می‌توانید چند دستمال کاغذی را روی یک سطح صاف با نوار چسب بچسبانید.)
خط‌کش (اختیاری)
آماده‌سازی:
سکه‌ها را روی هم قرار دهید و آنها را در همین حالت با نوار چسب به هم بچسبانید تا از جای خود تکان نخورند. دقت داشته باشید که قسمت زیرین سکه‌ها صاف باشد و هیچ گوشه‌ی تیزی از نوار چسب از آن بیرون نزده باشد. (زیرا ممکن است به فرش یا موکت گیر کند.)
دقت کنید که سطح کار شما (سطح فرش و چوب) باید بدون هیچ وسیله‌ی اضافه و مانع باشد.
روش کار:
انگشت شست و اشاره‌ی خود را به شکل حرف C دربیاورید.
حال با دقت کش لاستیکی را بین انگشت شست و اشاره بکشید تا یک تیرکمان تشکیل شود.
همچنان با دقت در حالی که کش لاستیکی را در همان حالت بین انگشتانتان کشیده‌اید، دست خود را طوری به سمت زمین برگردانید که نوک انگشت اشاره و شست‌تان در تماس با سطح چوبی قرار بگیرد و کش لاستیکی با فاصله‌ی کمی در بالای سطح باشد.
ستون سکه‌ها را مقابل کمان بگذارید و آن را همراه با کش لاستیکی به عقب بکشید. توجه کنید که چه مقدار کش و سکه‌ها را عقب می‌برید زیرا باید در تمام مراحل سکه‌ها را همین قدر عقب بکشید. به نظرتان با رها کردن سکه‌ها چه اتفاقی می‌افتد؟
سکه‌ها را رها کنید. از نزدیک آنها را نگاه کنید. سکه‌ها حتماً باید روی سطح چوبی سر بخورند و نباید به هوا پرتاب شوند. اگر سکه‌ها روی سطح سر نمی‌خورند، تنظیمات پرتاب خود را تغییر دهید.
همین مراحل را چند بار تکرار کنید و بررسی کنید که سکه‌ها چه مسافتی را طی می‌کنند. دقت داشته باشید که در تمام این دفعات باید سکه‌ها و کش را به یک اندازه عقب بکشید. آیا سکه‌ها مسافت زیادی را روی سطح چوبی سُر می‌خورند یا به سرعت متوقف می‌شوند؟ این مشاهدات چه چیزی در مورد اصطکاک میان سکه‌ها و سطح چوبی بیان می‌کند؟
حال همین مراحل را روی فرش یا موکت انجام دهید. دقت داشته باشید که چسب دور سکه‌ها مانع از حرکت آنها روی سطح نشود. مسافت طی شده توسط سکه‌ها روی فرش یا موکت چقدر است؟ این مسافت در مقایسه با حالتی که سکه‌ها روی سطح چوبی بودند کمتر است یا بیشتر؟ این نتایج چه چیزی در مورد اصطکاک میان ستون سکه‌ها و فرش یا موکت بیان می‌کند؟ اصطکاک در این حالت بیشتر است یا کمتر؟
آزمایش‌های تکمیلی:
با استفاده از خط‌کش مسافت طی شده توسط سکه‌ها در تمام حالت‌ها را اندازه بگیرید. نتایج را در یک جدول یادداشت کنید و سپس میانگین مسافت طی شده توسط سکه‌ها روی هر سطح را محاسبه کنید. به طور میانگین سکه‌ها چه مسافتی روی سطح چوبی طی می‌کنند؟ این مسافت میانگین در مورد فرش یا موکت چقدر است؟
همین مراحل را روی سطوح دیگری به جز چوب، فرش یا موکت انجام دهید. برای مثال می‌توانید همین آزمایش را روی سطح سخت و خشن پیاده‌رو انجام دهید. همچنین می‌توانید سطوح متفاوت دیگری در منزل پیدا کنید. سکه‌ها روی سطوح با جنس‌های متفاوت چه مسافتی طی می‌کنند؟ آیا می‌توانید تنها با نگاه کردن به یک سطح حدس بزنید اصطکاک آن زیاد است یا کم؟
همین آزمایش را با اشیای دیگری به جای ستون سکه‌ها انجام دهید. برای مثال اگر این آزمایش را با یک پاک‌کن بزرگ انجام دهید نتایج چه تغییری می‌کند؟ به خاطر داشته باشید که وزن یک جسم تعیین کننده‌ی اصطکاک وارد بر آن است. در نتیجه سعی کنید اجسامی با وزن تقریبی یکسان انتخاب کنید. (همچنین می‌توانید برای دقت بیشتر اجسام مورد استفاده را با ترازوی آشپزخانه وزن کنید.) آیا می‌توانید جسمی پیدا کنید که در تمام حالات مسافت بیشتری نسبت به ستون سکه‌ها طی کند؟ آیا می‌توانید جسمی پیدا کنید که در تمام حالت‌ها و روی تمام سطوح مسافت بسیار کمی طی می‌کند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
ستون سکه‌ها روی سطح صاف چوبی مسافت بیشتری طی می‌کند یا روی فرش و موکت؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که ستون سکه‌ها مسافت بسیار بیشتری را روی سطح چوبی در مقایسه با فرش یا موکت طی می‌کند. بسته به قدرت کش لاستیکی مورد استفاده در این آزمایش و اینکه چه میزان سکه‌ها را به عقب کشیده باشید، ممکن است حتی سکه‌ها تمام مسیر روی سطح چوبی را تا انتها طی کرده باشند. دلیل آن است که اصطکاک بسیار بیشتری میان فرش یا موکت و سکه‌ها در مقایسه با سطح چوبی وجود دارد. سکه‌ها روی سطح چوبی مسافت بیشتری قبل از توقف سُر می‌خورند زیرا اصطکاک کمتری در مقابل حرکت آنها به جلو وجود دارد.
منبع:
Slippery Science
منابع مفيد:
رانش زمين
ضربه‌ي آزاد
توليد اشعه ايکس با نورا چسب
اصطکاک
کوسه و فناوري قرن بيست و يکم-۲
اصطکاک-ويکيپديا
Friction Basics