مفاهیم کلیدی: فیزیک، اصطکاک، جرم، گرانش
مشاهده علمی ۱۹۰
مقدمه:
آیا تا به حال در مسافرت به جاده‌ای یخ بندان رسیده‌اید؟ در این شرایط احتمالاً تابلوی «احتیاط، جاده لغزنده» را می‌بینید. به نظرتان چرا یخ باعث خطرناک شدن رانندگی می‌شود؟ دلیل آن مربوط به اصطکاک یا به بیان دقیق‌تر نبود اصطکاک است.
به طور خاص در مورد اتومبیلی که در جاده حرکت می‌کند، اصطکاک موجود میان لاستیک‌های اتومبیل و سطح جاده به ماشین امکان حرکت را می‌دهد. این اصطکاک معمولاً سبب می‌شود چرخ‌های اتومبیل به کف جاده گیر کنند و در تماس با سطح نسبتاً خشن جاده باشند. بدین ترتیب راننده کنترل اتومبیل را در اختیار دارد. با این وجود هنگامی که جاده یخ زده است، اصطکاک میان این دو سطح کاهش می‌یابد و اتومبیل روی سطح جاده سر می‌خورد. شما می‌توانید این شرایط را در منزل با استفاده از چند وسیله‌ی ساده شبیه‌سازی کنید تا موضوع را دقیق‌تر بررسی کنید.
پیش‌زمینه:
اصطکاک مقاومت در برابر حرکت هنگام تماس دو جسم با هم است. یک مثال از اصطکاک پایین سر خوردن از یک تپه‌ی یخی با سورتمه است. در این شرایط سر خوردن بسیار آسان است زیرا سورتمه و یخ روی تپه سطوح صیقلی دارند و با مقاومت بسیار کمی از روی هم عبور می‌کنند. در مقابل، سر خوردن روی یک مسیر بتنی زبر تقریباً غیر ممکن است زیرا سطح خشن مسیر مقاومت بسیار زیادی در برابر حرکت سورتمه ایجاد می‌کند. این یک نمونه از اصطکاک بالاست.
همانطور که قابل تصور است، اصطکاک زمانی اتفاق می‌افتد که بخش‌های زبر دو جسم در تماس با هم قرار می‌گیرند. مقاومت ایجاد شده به مقداری به نام ضریب اصطکاک وابسته است. ضریب اصطکاک معیاری از تعامل دو جسم در تماس با هم است و به جنس دو ماده بستگی دارد. اصطکاک همچنین به جرم جسم متحرک در اثر جاذبه بستگی دارد. تمام این عوامل در تعیین میزان اصطکاک میان دو جسم در تماس با هم تأثیرگذار است.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو تخته چوب یکسان دو در چهار با طول نیم متر
ظرف پلاستیکی کوچک دردار
شن و ماسه یا هر ماده‌ی چگال دیگر برای پر کردن ظرف پلاستیکی
آب
فریزر
چند کتاب
خط‌کش
نقاله
سطحی دارای فرش یا موکت که خیس شدن آن اشکالی نداشته باشد (می‌توانید روی آنها را با لایه‌ای محافظ مانند کیسه زباله‌ی بزرگ بپوشانید.)
آماده‌سازی:
دقت داشته باشید که سطوح تکه چوب‌های مورد استفاده باید ابعادی یکسان داشته باشند و زبری سطح هر دو مشابه باشد.
یک تکه چوب را در آب خیس کنید. برای این کار می‌توانید چوب را به مدت سی دقیقه در یک وان حمام پر شده با آب تا ارتفاع چند اینچ قرار دهید.
چوب خیس را به مدت یک شب تا صبح در فریزر قرار دهید.
ظرف پلاستیکی را با شن و ماسه یا هر ماده‌ی چگال دیگر پر کنید و در آن را ببندید.
هنگام کار با تکه‌های چوب به خصوص اگر سطح زبری دارند بسیار مراقب باشید. (می‌توانید حین کار دستکش بپوشید.)
روش کار:
روی سطح کارتان (سطح دارای فرش یا موکت) با کمک کتاب‌ها و تکه چوب خشک یک سطح شیب‌دار بسازید. دقت داشته باشید که همواره یک سمت از تکه چوب با کتاب‌ها در تماس باشد.
ظرف حاوی شن و ماسه را در بالای سطح شیب‌دار نگه دارید و سپس آن را رها کنید. چنانچه ظرف روی چوب سر می‌خورد، شیب را با برداشتن یک کتاب کاهش دهید. اگر ظرف روی چوب سر نمی‌خورد، شیب را با اضافه کردن یک کتاب بیشتر کنید. ارتفاع ستون کتاب‌ها در حالتی که ظرف به پایین سر می‌خورد چقدر است؟ کوتاه‌ترین ارتفاع ستون کتاب برای اینکه ظرف روی چوب به پایین سر بخورد چقدر است؟
حال با نقاله زاویه‌ی میان سطح شیب‌دار و زمین را در حالتی که ظرف با کوتاه‌ترین ارتفاع ستون کتاب سر می‌خورد اندازه بگیرید. این عدد چند است؟
پس از اتمام آزمایش‌های مربوط به تکه چوب خشک، چوب یخ زده را از فریزر بیرون بیاورید. (به دلیل اینکه یخ در دمای اتاق ذوب می‌شود، قبل از بیرون آوردن تکه چوب از فریزر تمام وسایل را آماده کنید تا آزمایش‌ها را قبل از ذوب شدن یخ انجام دهید.) چوب یخ زده چه تفاوتی با تکه چوب خشک دارد؟
اکنون تمام مراحل مربوط به تکه چوب خشک را با چوب یخ زده تکرار کنید. کمترین ارتفاع لازم ستون کتاب‌ها برای سر خوردن ظرف روی چوب یخ زده چقدر است؟ با نقاله زاویه‌ی میان سطح شیب‌دار و زمین را اندازه بگیرید.
می‌توانید هر دو چوب را با ارتفاع‌های مختلف ستون کتاب چند بار امتحان کنید. آیا نتایج یکسانی در دفعات مختلف به دست می‌آورید یا خیر؟
به طور کلی، کدام سطح شیب‌دار (سطح شیب‌دار با تکه چوب خشک یا سطح شیب‌دار با چوب یخ زده) امکان سر خوردن ظرف در ارتفاع کمتری از ستون کتاب‌ها (زاویه‌ی کمتر) را ایجاد می‌کنند؟
نکته: اگر در طول انجام آزمایش یخ چوب ذوب شد، آن را به صورت افقی در فریزر قرار دهید و مقداری آب روی تمام سطح آن بریزید. چوب باید حداقل به مدت یک ساعت در فریزر بماند. پس از گذشت این زمان می‌توانید با سطح یخ زده‌ی چوب ادامه‌ی آزمایش‌های خود را انجام دهید.
آزمایش‌های تکمیلی:
ظرف پلاستیکی روی سطوح شیب‌دار با جنس‌های دیگر چگونه عمل خواهد کرد؟ می‌توانید سطوح شیب‌داری از جنس‌های مختلف از جمله کاغذ آلومینیومی، سطح روغنی و غیره بسازید. همچنین می‌توانید به جای این کار کف ظرف پلاستیکی را با این مواد پوشش دهید. نحوه‌ی سر خوردن ظرف پلاستیکی روی سطوح با جنس‌های مختلف چگونه است؟
اگر ارتفاع و طول سطح شیب‌دار را بدانید، نیازی به نقاله برای اندازه‌گیری زاویه ندارید. می‌توانید زاویه را با استفاده از فرمول ریاضی زیر به دست بیاورید:
Sin(theta)= ضلع مقابل/ وتر
در این فرمول تتا زاویه‌ی شیب، ضلع مقابل ارتفاع سطح شیب‌دار و وتر طول سطح شیب‌دار است. آیا زاویه‌ی به دست آمده از این فرمول با زاویه‌ی اندازه‌گیری شده با نقاله برابر است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
به طور کلی آیا ظرف روی سطح یخی آسان‌تر از سطح چوب خشک به پایین سر می‌خورد؟ آیا کمترین زاویه‌ی مورد نیاز برای سر خوردن ظرف به پایین روی سطح یخی کوچکتر از زاویه‌ی مربوط به سطح چوب خشک است؟
هنگامی که دو جسم در تماس با یگدیگر قرار می‌گیرند اصطکاک وجود دارد. سطح دو جسم در تماس، میزان این اصطکاک را تعیین می‌کند. در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که اصطکاک میان ظرف پلاستیکی و سطح یخی کمتر از اصطکاک میان ظرف و سطح چوب خشک است. به بیان دیگر، در هنگام استفاده از سطح یخی به عنوان سطح شیب‌دار، زاویه‌ی کمتری برای سر خوردن ظرف مورد نیاز است.
به منظور محاسبه‌ی نیروی اصطکاک باید ضریب اصطکاک را در نیروی تولید شده توسط جسم، یعنی جرم ظرف در کشش جاذبه ضرب کرد. در این فعالیت علمی جرم ظرف و جاذبه‌ی زمین ثابت است، اما ضریب اصطکاک دو سطح شیب‌دار با هم متفاوت هستند. ضریب اصطکاک میان سطح یخی و ظرف کمتر از ضریب اصطکاک میان سطح چوب خشک و ظرف است. این تفاوت را می‌توانید با به آرامی کشیدن دستانتان روی دو سطح حس کنید زیرا یخ سطح چوب را صیقلی می‌کند.
منبع:
منابع مفید: