일반물리학실험 | 미끄럼과 마찰

 

 

 

TIP

 

 

1. 나무토막에 무게를 더할 때마다 끌리는 힘과 그에 따른 마찰 계수를 구한다.
2. 마찰 블록과 도르래와 추와 클립 등을 이용하여 마찰 블록의 미끄럼과 마찰에 대하여 측정한 후 정지 마찰력에 대하여 알아본다.
3. 마찰력의 종류와 원리에 대해 알아보고 물체의 미끄럼 마찰력을 구하여, 수직항력, 접촉면의 재질, 접촉 면적과의 관계에 대해 알아본다.

 

 

 

1. 마찰력 : 미끄럼 정도와 마찰 관계를 알아보고 자 물체가 다른 물체에 접촉하여 미끄럼 운동을 시작하려고 할 때, 또는 미끄럼 운동을 하고 있을 때 접촉면에 운동을 방해하려고 하는 힘이 생기는 현상

 

2. 정지마찰력 : 정지해 있는 물체에 외력을 작용하여도 물체가 계속 정지하고 있을 때의 마찰력이다. 정지 마찰력은 외력과 크기가 같고 방향이 반대방향으로 작용한다.

 

3. 최대 정지 마찰력 : 정지해 있는 물체에 가하는 외력을 증가시킬 때 물체가 움직이기 직전의 마찰력을 최대 정지 마찰력이라고 한다. 최대 정지 마찰력은 수직 항력 N에 비례한다. 정지 마찰 계수는 접촉면의 성질에 따라 결정되며 접촉면의 크기에는 거의 관계가 없다. 그리고 최대 정지 마찰력은 마찰력 중에 가장 크며 는 보통 1보다 작다.

 

4. 운동 마찰력 : 운동하고 있는 물체에 작용하는 마찰력으로 물체가 표면 위를 미끄러질 때 작용하는 마찰의 종류를 말하므로 미끄럼 마찰력이라고도 한다. 운동 마찰 계수와 수직 항력(N)을 곱한 값과 같다.

 

5. 도르래 : 도르래를 이용하면 적은 힘으로 좀 더 큰 힘의 효과를 낼 수 있다.

 

6. 중력 : 지구의 만유인력과 자전에 의한 원심력을 합한 힘이다. 지표 근처의 물체를 아래 방 향으로 당기는 힘이다. 만유인력을 중력이라고 할 때도 있다. F=mg(이때 g는 중력가속도, g=9,8m/s²)

 

7. 힘 : 정지하고 있는 물체에 힘을 가하면 힘의 방향으로 운동하며, 운동하고 있던 물체에 힘을 가하면 속도가 변하거나 운동 방향이 변하게 된다. 용수철과 같은 물체에 힘이 작용하면 길이가 늘어나거나 줄어들면서 물체의 모양이 변한다. 이와 같이 물체의 운동 상태를 변화시켜 주거나 물체의 모양을 변형시켜 주는 원인이 되는 것을 힘이라 한다.

 

8. 오차 : 어떤 양을 측정하는 경우에 그 참 값을 구하기는 불가능하며, 반드시 측정치와 참값 사이에는 발생하게 되는 차이를 오차라고 한다.

 

9. 마찰계수 : 수직항력과 마찰력의 비례관계를 주는 수치이다. 맞닿은 두 표면 사이의 마찰 정도를 뜻한다. 마찰력의 크기를 f, 수직항력을 N, 마찰계수를 μ(mu; 뮤)라고 할 때, f = μN의 관계가 성립한다. 정도를 나타내는 마찰계수는 물체의 재질, 표면의 매끄러운 정도, 윤활제의 유무와 종류 등에 따라 달라진다. 마찰계수는 크게 물체가 정지하고 있을 때의 정지 마찰계수와 운동하고 있을 때의 운동마찰계수로 나눌 수 있는데, 운동마찰계수는 정지 마찰계수보다 작다. 마찰계수는 서로 마찰을 하는 물체의 재질이나 접촉면의 매끄러운 정도 또는 윤활제의 종류에 따라 값이 달라지므로 물질상수라고는 할 수 없다.

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실험 방법

1. 실험 준비

1) 스프링 눈금으로 마찰 블록 무게의 크기인 W를 측정한다.

 

2) 아래 그림과 같이 장치를 설치한다. 내장된 추를 사용하여 경사면이 수평이 되도록 한다. 도르레의 위치를 조정하여 끈이 경사면과 수평이 되도록 한다.

 

3) 나무도막을 작은 힘으로 밀었을 때 경사판을 따라 천천히 일정한 속도로 계속해서 움직이도록 추의 무게를 조정한다. 만약 나무도막이 움직이다가 멈춘다면, 추 걸이에 올려놓은 추가 너무 적은 것이 되고, 반대로 빨라진 다면, 추가 너무 무거운 것이다. 마찰 블록이 일정하게 천천히 움직이도록 추 걸이에 매단 추의 무게 F_f를 조정하면, 이는 곧 경사판에 대한 나무도 막의 미끄럼 마찰력이 된다. 즉, 질량 추 걸이에 놓인 질량을 미세하게 조정하여 마찰 블록을 움직이게 했을 때 추의 질량을 측정함으로써 정지마찰력 F_f를 측정한다.

 

4) Ff를 측정하면서 세 가지 변수를 변화시킬 수 있다. 그 변수들은 다음과 같다.

① 수직력(W+Mg) - 무게 W의 질량을 마찰 블록에 올려 놓아 블록과 경사면 사이의 수직력을 조정한다.

② 접촉 재료 - 마찰 블록의 A와 B 면을 사용하면 나무가 경사면과 접촉하는 물질이 된다. C 면을 사용하면 두 줄의 테프론 테이프만이 경사면에 접촉한다.

③ 접촉 면적(A, B, C) -A, B, 또는 C 면을 이용하는 마찰 블록과 경사면 간의 접촉 면적을 조정한다. (주: C면을 이용하면 접촉 면적은 테프론 테이프 두 줄의 표면 면적이 된다.)

 

2. 실험 과정

1) 나무토막의 A부분을 바닥에 놓은 후 수평면 끝에 자리하게한다.

 

2) 추 걸이에 클립이나 추를 놓는다.

 

3) 움직일 때까지 올려 놓아본다.

 

4) 움직이면 추나 클립을 빼면서 질량을 계산한다.

 

5) N을 구하는대 N=(m+M)g으로 계산한다.

 

6) F_f를 순서대로 구하는데 그 클립이나 추의 질량을 기입한다.

 

7) 그 후 마찰 계수를 구해본다.

 

 

 

[일반물리학실험]미끄럼과 마찰 레포트