06. 마찰계수 실험

마찰계수 실험 (friction factor experiment)

◎ 실험 목적
  - 접촉하고 있는 물체들의 표면에 작용하는 마찰력을 이해하고 측정해 본다.

◎ 마찰력 (Frictional force)
  - 물체의 운동을 방해하는 힘
    다른 두 물체가 접촉한 상태에서 움직이려고 할 때 서로 표면에 평행한 마찰력이 작용한다.
    접촉면을 따라서 힘이 생기며 움짐을 가한 힘의 반대 방향으로 운동을 방해하는 힘
    크게 정지 마찰력과 운동 마찰력으로 구분된다.

마찰력

 ◎  정지 마찰력
    - 물체가 정지하고 있는 동안 받는 마찰력
      마찰력의 크기 : 외력의 크기와 같음
      마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
      힘의 평형상태 : 물체의 외력과 정치 마찰력

◎  운동 마찰력 
    - 물체가 운동하고 있는 동안 받는 마찰력
      마찰력의 방향 : 외력의 방향에 대해 반대
      정지 마찰력과 다르게 운동 마찰력의 크기는 외력 크기와 다르다.

마찰력 공식

◎ 수직 항력 (Normal force)
   - 표면이 표면에 대해 수직 하게 물체를 떠받치는 힘
     물체가 표면에 가하는 힘과 함께 서로 작용-반작용 관계

외력과 마찰력의 관계 그래프

정지 영역은 정지 마찰력으로 외력과 크기가 같고 방향이 반대 이기 때문에 비례 그래프를 보인다 
(물체가 움직이지 않는다)

최대 정지 마찰력을 넘어서면 물체가 움직이기 시작하면서 외력과 마찰력의 크기가 달라진다. 
(외력 - 운동 마찰력 = 물체가 움직이는 힘이 된다)

일상생활에서 책상이나 박스 등 물체를 움직일 때 작은 힘에는 움직이지 않다가 어느 일정 크기의 힘이
넘어가면 물체가 움직이기 시작하는 이유가 최대 정지 마찰력을 넘기기 때문이다.

◎ 실험 방법

마찰력 실험

도르래를 기점으로 질량(M)의 박스와 질량(m)의 추를 나누어 보자

1. 박스
   박스의 진행 방향으로 장력 T가 발생이 되고 진행 방향의 반대 방향으로 마찰력이 발생한다.
   그래서 박스가 움직이는 힘 F= Ma =T - f(운동 마찰력) 이 된다.

2. 추
   추는 중력에 의해 밑으로 W=mg로 움직이고 윗 방향으로 장력 T를 받게 된다.
   그래서 추가 움직이는 힘 F =ma =mg - T

박스와 추의 움직이는 힘 중 장력 T가 공통되기 때문에 T로 정리를 하면

   1. 박스 :  T = Ma + f(운동 마찰력)
   2.  추   :  T = mg - ma 
                 -> Ma + f = mg - ma   -> (M+m) a =mg - f  이걸 정리해 보면    

운동 마찰력

마찰력 실험의 운동마찰계수

다음과 같이 운동 마찰계수를 구할 수 있다.

자유낙하 실험에서 사용한 실험장비와 같이 광학 센서와 도르래를 이용하여 가속도(a)를 실험을 통하여 구하면

계산을 통해 마찰계수를 구할 수 있다.