Friktion med Smart Cart Motor: hvilefriktion, glidefriktion og friktionsarbejde
Når man trækker en kasse hen ad gulvet, skal der mere kraft til at få den i gang end til at holde den i gang. Med en Smart Cart Motor kan vognen køre med en præcis og konstant fart, mens dens indbyggede kraftsensor måler, hvor hårdt den trækker i en friktionsblok. Eleverne måler hvile- og glidefriktion, undersøger, om friktionen afhænger af normalkraften og farten, og beregner friktionsarbejdet som arealet under en kraft-position-graf.
Hvordan afhænger friktionskraften af normalkraften og farten, og hvor stort er friktionstallet for blokken mod banen?
Det skal I bruge
| Vare | Varenr. | Antal og formål |
|---|---|---|
| Smart Cart (rød) | ME-1240 | 1 pr. gruppe |
| Smart Cart Motor | ME-1247 | 1 pr. gruppe |
| Friktionsblok | ME-9807 | 1 pr. gruppe |
| 200 g lodder (4 stk.) | ME-9351 | 1 sæt pr. gruppe, til at belaste blokken |
| Dynamikbane i aluminium, 2,2 m | ME-9779 | 1 pr. gruppe |
| Magnetiske kofangere (sæt) | ME-9885A | 1 sæt pr. gruppe, som endestop |
| Sort tråd (3 stk.) | ME-9875 | Til snoren mellem vogn og blok |
| Kern skolevægt 6000 g/0,1 g (EMB 6000-1) | EMB 6000-1 | 1 til klassen, til at veje blok og lodder |
| SPARKvue 5 (gratis download) | 900902 | Gratis app til tablet eller computer |
Andet udstyr: tablet eller computer med SPARKvue eller Capstone.
Sikkerhed
Motoren kører vognen af sted af sig selv. Sæt endestop for enden af banen, og stop motoren, før vognen når enden. Hold fingre, hår og snore væk fra hjulene, mens motoren kører. Lodderne skal ligge stabilt på blokken.
Sådan gør I
- Montér Smart Cart Motor på Smart Cart, og forbind begge i SPARKvue eller Capstone. Vej friktionsblokken med og uden lodder.
- Bind en snor på ca. 30 cm fra kraftsensorens krog til friktionsblokken. Nulstil kraftsensoren, mens snoren er slap.
- Indstil motoren til en lav, konstant fart, fx 0,10 m/s. Vælg kraft og position som målinger, og sæt målefrekvensen til 50 Hz.
- Start målingen, og lad motoren køre, så snoren strammes, og blokken trækkes 40-50 cm. Stop motoren og målingen.
- Aflæs den største kraft lige før blokken begynder at glide (hvilefriktion) og middelkraften, mens den glider (glidefriktion).
- Gentag med 200, 400 og 600 g lodder på blokken. Afbild glidefriktionen mod normalkraften, og bestem friktionstallet μ som hældningen.
- Gentag med fast belastning ved 3-4 forskellige farter. Afhænger glidefriktionen af farten?
- Vis kraften mod positionen, og find arealet under grafen for en strækning. Det er friktionsarbejdet.
Med PASCO-sensor
Smart Cart (ME-1240) har en indbygget kraftsensor med krog, og Smart Cart Motor (ME-1247) gør det muligt at styre farten præcist fra SPARKvue eller Capstone. Fordi vognen kører med konstant fart, er trækkraften lig med friktionskraften. Med en startbetingelse i softwaren (fx når kraften overstiger 0,1 N) og forhåndsregistrering kommer starten med hvilefriktionen også med i grafen.
Hvad sker der?
Friktionen mellem to flader modvirker, at de glider i forhold til hinanden. Så længe blokken står stille, er hvilefriktionen lige så stor som trækkraften, men den har en største værdi Fₕ,max = μₕ·Fₙ. Når trækkraften overstiger den, begynder blokken at glide, og friktionen falder til glidefriktionen Fₘ = μₘ·Fₙ, hvor μₘ normalt er mindre end μₕ. Derfor ses en top i kraftgrafen lige før blokken sætter sig i bevægelse.
På en vandret bane er normalkraften lig med tyngdekraften m·g. Afbildes glidefriktionen mod normalkraften, fås en ret linje gennem origo med hældningen μₘ. I den simple model afhænger glidefriktionen ikke af farten, og det kan eleverne teste.
Friktionsarbejdet er W = F·s for en konstant kraft og generelt arealet under kraft-position-grafen. Energien bliver til varme i fladerne.
Spørgsmål til eftertanke
- Hvor meget større var hvilefriktionen end glidefriktionen?
- Var sammenhængen mellem glidefriktion og normalkraft lineær? Gik linjen gennem origo?
- Afhang glidefriktionen af farten i jeres måling?
- Hvordan passede friktionsarbejdet med F·s?
- Hvorfor er det vigtigt, at farten er konstant, når I måler glidefriktionen?
Til læreren
Brug en lav fart, så kraften er stabil, og så hvilefriktionstoppen bliver tydelig. Nulstil kraftsensoren med slap snor før hver måling. Snoren skal være vandret og ligge i banens retning.
Friktionsblokken har forskellige overflader. Lad gerne grupperne teste hver sin flade, og saml resultaterne på tavlen. Kraftmålingen svinger lidt, så eleverne skal bruge middelværdien over et stabilt interval.
Til fysik A kan eleverne beregne usikkerheden på μ ud fra spredningen og diskutere, hvorfor den enkle model ikke passer perfekt. Friktionsbremsen til Smart Cart (ME-1253) kan bruges til et supplerende forsøg om friktion på vognens egne hjul.
Vejledningen er udarbejdet af LabDidakt. Læreren skal altid selv vurdere sikkerheden ved forsøget i sin klasse og følge skolens retningslinjer og sikkerhedsdatabladene for de kemikalier, der bruges.
