Dlaczego samochody mają koła?

Dlaczego samochody mają koła?
Z tarciem mamy do czynienia na co dzień i w technice. Bez wyjątku każdy ruch na Ziemi jest z nim
związany i powoduje on straty energii i zużycie mechanizmów. Jednak bez tarcia ruch nie będzie wcale
możliwy. Nie można byłoby chodzić, zatrzymać się, trzymać się czegoś itp.
Zadania
Zmierz siłę pozwalającą na rozpoczęcie ruchu i przesuwanie drewnianego bloku po powierzchni stołu.
Wyznacz tarcie kinetyczne i statyczne dla innych materiałów, mas i powierzchni styku.
Materiały
1 Cobra4 Wireless Manager
1 Cobra4 Wireless-Link
2 Czujnik Cobra4 Siła ± 4 N
1 Blok do demonstracji tarcia
1 Bolec mocujący
1 Odważnik szczelinowy 50 g, czarny
1 Żyłka wędkarska, 𝑙 = 20 m
1 Oprogramowanie Cobra4 – licencja szkolna
Dodatkowe materiały
1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy
1 Arkusz papieru, A5 lub A4
1 Drewniana taca lub drewniany stół
12600.00
12601.00
12642.00
02240.01
03949.00
02206.01
02089.00
14550.61
Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia
1
Dlaczego samochody mają koła?
Przygotowanie i wykonanie doświadczenia
















Uruchom komputer i system operacyjny Windows.
Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB.
Podłącz Cobra4 Wireless - Link do czujnika Force 4 N i uruchom go.
Odetnij około 15 cm żyłki wędkarskiej i zrób pętle na obu końcach.
Wkręć hak do czujnika siły i założyć na nim jedną pętlę żyłki.
Połóż blok do demonstracji tarcia na drewnianej powierzchni stołu i na jego haku załóż drugą pętlę
z żyłki. Upewnij się, że żyłka pomiędzy blokiem i czujnikiem siły jest naprężona.
Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC.
Włącz Wireless Link. Czujnik zostanie wykryty automatycznie i połączy się z programem
(Nawigator).
Załaduj doświadczenie (Eksperyment > Otwórz eksperyment) „Tarcie”. Ustalą się wszystkie
niezbędne ustawienia wstępne do zapisu mierzonych wartości.
Kliknij dwukrotnie na wejście czujnika siły w nawigatorze
tak, aby pojawiło się okno ustawień
kanału pomiarowego Siła F.
Kliknij dwa razy na przycisk „Taruj” tak, aby zmienić pole Wyłączone na Włączone i zamknij okno
przyciskiem
.
Wyświetlacz powinien teraz pokazać siłę 0,000 N.
Uruchom pomiar .
Rozpocznij przesuwanie bloku, za pomocą czujnika siły, po stole. Upewnij się, że żyłka jest cały czas
naciągnięta.
Teraz przesuwaj blok powoli i jednostajnie po stole, pamiętając o naciągniętej żyłce (spróbuj
zachować stałą prędkość).
Podczas zatrzymywania bloku upewnij się, że nie działa żadna dodatkowa siła czyli, że żyłka nie jest
już naciągnięta.


Zatrzymaj pomiaru  i przenieść dane do programu głównego
Wykres powinien wyglądać taj, jak na Rysunku 2.

Użyj przycisku „Opcje wyświetlania”
„Nazwa”.
.
w measure, aby nadać serii danych odpowiednią nazwę
Rys. 2 Wykres dla przykładowych danych
2
Dlaczego samochody mają koła?




Powtórz pomiary wykorzystując gumową powierzchnię klocka do demonstracji tarcia. Zapisz
zmierzone wartości. Nadaj serii danych odpowiednią nazwę.
Wytnij kawałek papieru o wielkości bloku, umieścić na nim blok drewniany i powtórzyć pomiar.
Następnie przeprowadź eksperyment z bokiem gumowym i ciężarkiem szczelinowym o masie 50 g.
W tym celu należy umieścić w otworze kołek mocujący, na jego grubszym końcu można łatwo
umieścić odważnik.
Ponadto, przeprowadź ostatni eksperyment umieszczając blok demonstracyjny na jednym z jego
dłuższych boków, zmniejszając powierzchnię styku ze stołem.
Obserwacje i wyniki pomiarów
Rys. 3a: Przykład pomiaru - Eksperyment
z
drewnianym
spodem
bloku
demonstracyjnego.
Rys.
3b:
Pomiar
z demonstracyjnym bokiem
Rys. 3c: Przykład pomiaru - Eksperyment
z papierem
Rys. 3d: Przykład pomiaru - Eksperyment
z dłuższym bokiem klocka demonstracyjnego.
Eksperyment
Analiza wyników
Wykres przedstawia siły potrzebne do ciągnięcia bloku demonstracyjnego. Gdy jest blok się nie porusza
- siła jest równa 0. Po rozpoczęciu ruchu siła wzrasta, a następnie staje się mniejsza i bardziej lub mniej
stała (przy zachowaniu stałej prędkości). Po zakończeniu ciągnięcia, siły powraca do 0. Maksymalna siła
działa podczas rozpoczynania ruchu, jest ona nazywana tarciem statycznym 𝐹1 . Stała siła, która działa
podczas ruchu, gdy blok demonstracyjny jest ciągnięty równomiernie nazywa tarciem kinetycznym 𝐹2 .
1. W programie głównym
measure wybierz narzędzie „pomiar” za pomocą przycisku
wyznaczyć 𝐹1 i 𝐹2 dla wszystkich pomiarów. Wprowadź dane do Tabeli 1.
, aby
Tabela 1: 𝐹1 i 𝐹2 (dla drewnianej i gumowej powierzchni klocka demonstracyjnego)
𝐹1 [𝑁]
𝐹2 [𝑁]
Drewno
Guma
3
Dlaczego samochody mają koła?
Tabela 2: 𝐹2 Tarcia z papierem, odważnikiem szczelinowym i dłuższy bokiem klocka
𝐹2 [𝑁]
Papier
Odważnik szczelinowy
Drewniana podłużna powierzchnia
2. Porównaj wartości sił 𝐹1 i 𝐹2 dla każdego pomiaru. Co zauważyłeś?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
3. Wyjaśnij różnice?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
4. Porównaj siłę 𝐹2 dla drewna, gumy i papieru. Co z tego wynika? Czy możesz podać różnice sił
podczas pomiaru z ciągniętym blokiem demonstracyjnym?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
5. Porównaj pomiary z gumową częścią klocka z ciężarkiem i bez ciężarka. Jak różnią się siły? Jak
można to wyjaśnić?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
6. Porównaj pomiar z drewnianą stroną bloku tarcia z pomiarem dla drewnianego długiego boku. Co
z tego wynika?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
7. Lód jest bardzo śliski. Co można zrobić, aby zapobiec ślizganiu?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
4
Tarcie
Dlaczego samochody mają koła?
Uczniowie powinni zapoznać się tutaj z podstawowymi cechami tarcia. Dzięki Cobra4 Wireless Link
i czujnikowi siły, krótkie eksperymenty powinny pokazać, że tarcie zależy od rodzaju powierzchni i masy
ciała, ale jest niezależne od wielkości powierzchni styku. Można też wykazać różnicę między 𝐹1 (tarcie
statyczne) i 𝐹2 (tarcie kinetyczne).
Uwagi o realizacji
Należy upewnić się, że czujnik siły jest wytarowany – przy zerowej prędkości powinien wskazywać brak
tarcia.
Ponieważ tarcie jest niezależne od prędkości, w eksperymentach nie ma znaczenia jej wartość. Ważne
jest tylko to, że blok powinien być ciągnięty równomiernie: gdy prędkość jest stała, siła tarcia
kinetycznego i siły uciągu równoważą się.
Analiza wyników
1. 𝐹1 i 𝐹2 mogą być analizowane dzięki funkcji „pomiaru” w programie measure . Dzięki temu
można dokładnie wyznaczyć badane wartości. Po kliknięciu na przycisk pojawi się na wykresie
prostokąt z małymi kwadracikami w dwóch narożnikach. Za pomocą nich (i myszy) można zmieniać
wielkość prostokąta, a następnie badać oznaczony obszar na wykresie. W tym celu, kliknij lewym
przycisk myszy na jednym z dwóch kwadracików i przytrzymaj go. Przeciągnij mały kwadracik na
pożądane miejsce i puść przycisk. Zrobić to samo z drugim kwadracikiem.
Rys. 3: Pomiary
Tabela 1:
Drewno
Guma
𝐹1 [𝑁]
0,23
0,61
𝐹2 [𝑁]
0,17
0,50
5
Tarcie
Tabela 2:
Papier
Odważnik szczelinowy
Drewniana podłużna powierzchnia
𝐹2 [𝑁]
0,16
0,61
0,15
2. Tarcie statyczne jest zawsze większe niż tarcie kinetyczne.
3. Tarcie jest spowodowane przyciąganiem międzycząsteczkowym obu powierzchni, a także
„bruzdami”. Aby ciało się poruszało należy pokonać te siły. Ciało spoczywające ma silniejszy
kontakt z powierzchnią i dlatego „bruzdy” mają większy wpływ, podczas gdy poruszające się ciało
szybuje nad nierównościami.
4. Tarcie zależy od powierzchni ciała (np. dla gładkich powierzchni jest mniejsze niż dla nierównych).
Mniejsze tarcie pozwala na łatwiejsze przemieszczanie ciała: Dla papieru tarcie jest najmniejsze,
a dla gumy największe.
5. Tarcie na tych samych powierzchni zależy od ciężaru ciała. Im cięższe ciało, tym bruzdy na trących
powierzchniach bardziej zazębiają się.
6. Jednak tarcie nie zależny od powierzchni styku. Dla mniejszej powierzchni jest mniej „bruzd”, ale
rośnie ciśnienie.
7. Lód można posypać piaskiem lub trocinami, co spowoduje zwiększenie chropowatości powierzchni
– tarcie staje się większe.
6