5.15. Súrlódásos kísérletek

a) A súrlódási erő létének szemléltetése

A kísérlet célja

A tapadási és súrlódási erő létére utaló kísérletek.

Szükséges anyagok, eszközök

• könyv
• fahasáb (egyik oldala filces), benne kampó
• rugós erőmérő

Leírás

Végezzük el az alábbi kísérleteket:

• Lökjünk meg könyvet/fahasábot az asztalon! A hasáb/könyv egy idő után megáll. Newton I. és II. törvénye értelmében ez csak akkor lehetséges, ha valamilyen erő hat a testre mozgás közben, ez a csúszási súrlódási erő.
• Húzzunk egyre nagyobb erővel könyvet/fahasábot az asztalon rugós erőmérő segítségével. A könyv/fahasáb kis erő esetén nyugalomban marad, ám egy adott húzóerő hatására már megmozdul. Newton I. és II. törvénye értelmében a könyv/fahasáb kis erő esetén csak akkor maradhat nyugalomban, ha a rugón kívül még valamilyen erő hat a testre, ez a tapadási súrlódási erő. A kísérlet alapján a tapadási súrlódási erőnek maximuma van.
• Húzzunk állandó sebességgel egy könyvet/fahasábot az asztalon erőmérő segítségével! A könyv/fahasáb egyenletes mozgatásához erő szükséges. Newton I. és II. törvénye értelmében ez csak akkor lehetséges, ha a rugón kívül valamilyen másik erő is hat a testre mozgás közben, amely a rugóerővel ellentétes és azonos nagyságú. Ez a csúszási súrlódási erő.

Módszertani kiegészítések

• Beszélgessünk arról, hogy milyen lenne a világ, ha nem lenne súrlódási erő. Hogyan jutnánk el az iskolába?

b) A tapadási és a csúszási súrlódási erőt befolyásoló tényezők vizsgálata

A kísérlet célja

A tapadási és csúszási súrlódási erő nagyságát befolyásoló tényezők vizsgálata.

Szükséges anyagok, eszközök

• Fahasáb, amelynek egyik oldala filces, kampóval
• rugós erőmérő
• vashenger nehezéknek

Leírás és feladatok

• Húzzunk fahasábot erőmérő segítségével az alábbi paraméterek szerint és olvassuk le az erőmérő által mutatott értéket a jelzett pillanatban. A mérési adatok alapján fogalmazzuk meg, milyen tényezőktől függ a tapadási és a csúszási súrlódási erő nagysága!

• Tegyünk terhelést a sima oldalára fordított hasábra. Húzzuk egyre nagyobb erővel, amíg meg nem mozdul, majd mozgassuk egyenletesen a hasábot. Mit tapasztalunk az erőmérő által mutatott értékekkel kapcsolatosan? Mit állíthatunk azonos körülmények esetén a tapadási és a csúszási súrlódási erőről (együtthatóról)?

Módszertani kiegészítések

• A súrlódás témakörében egyrészt nehéz megérteni azt, hogy a tapadási súrlódási erőre nincs erőtörvény, csak a „körülményekből” tudom megmondani, hogy mekkora. Ezért a fogalom elsajátításáig nem érdemes a tapadási súrlódási erő maximumára felírni az erőtörvényt. Másrészt a súrlódási erő a nyomóerőtől függ. A nyomóerőt azonban sok diák a nehézségi erővel azonosítja, illetve lejtő esetén az „\(mg \cdot cos \alpha\)”-val. Ezért mindenképpen mutassunk olyan kísérletet, vagy feladatot, ahol a nyomóerő nem ezek egyike.
• Ennek demonstrálására elvégezhetjük a következő kísérletet: Két nehéz könyv közé helyezve egy papírlapot, a lapot nehéz kihúzni. Ha azonban a könyveket leejtjük, a lapot könnyű kihúzni. Feladatként megnézhetjük, hogy mekkora erővel lehet kihúzni a satuból egy fadarabot, ha a satu a fát 100 N erővel nyomja, és a súrlódási együttható 0,2.
• Habár a kísérletekből látszik, hogy a csúszási súrlódási erő (azonos körülmények között) kisebb, mint a tapadási súrlódási erő maximális értéke, a fizika példákban sokszor azzal az egyszerűsítéssel élünk, hogy a tapadási súrlódási erő maximális értéke megegyezik a csúszási súrlódási erővel.

c) Csúszási és tapadási súrlódási együttható mérése lejtőn

A kísérlet célja

A tapadási és súrlódási együttható kimérése.

Szükséges anyagok, eszközök

• fahasáb (egyik oldala filces), benne kampó
• deszka, mint lejtő
• szögmérő, vagy vonalzó

Leírás

 Tapadási súrlódási együttható mérése

Helyezzünk egy fahasábot egy deszkára, mint lejtőre! Folyamatosan növelve a lejtő hajlásszögét, keressük meg azt a szöget, amikor a fahasáb éppen megindul a lejtő mentén. Ebből a hajlásszög értékből a fahasáb és a lejtő közti tapadási súrlódási együttható értéke számítható.

Csúszási súrlódási együttható mérése

Helyezzünk egy fahasábot deszkára, mint lejtőre! Folyamatosan növelve a lejtő hajlásszögét, keressük meg azt a pontot, amikor a fahasáb éppen megindul a lejtő mentén, ekkor csökkentsük a lejtő hajlásszögét úgy, hogy a hasáb egyenletesen csússzon lefelé. Ebből a hajlásszög értékből a fahasáb és a lejtő közti csúszási súrlódási együttható értéke kiszámítható. (Megtalálhatjuk ezt a hajlásszöget úgy is, ha a lejtő emelése közben időről időre oldalirányban elmozdítjuk a hasábot, míg le nem csúszik egyenletesen a lejtőn.)

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Hogyan számíthatók ki a kísérlet alapján a csúszási és a tapadási súrlódási együtthatók?
• A c) kísérlet eredménye hogyan utal a csúszási és a tapadási súrlódási együtthatók relációjára (azonos körülmények között)?
• Mekkora a tapadási súrlódási erő a megmozdulás előtti pillanatban? (Azaz mekkora a tapadási súrlódási erő maximális értéke?)
• Milyen mozgást végez egy test, ha akkora erővel hatunk rá, hogy éppen megmozduljon, majd továbbra is ekkora erőt fejtünk ki rá? Miért?