Визначення коефіцієнта тертя ковзання за допомогою смартфона
Завдання роботи:
- Створити теоретичну модель руху тіла під час гальмування та отримати вираз для розрахунку коефіцієнта сухого тертя.
- Підготувати та скласти експериментальну установку.
- Провести декілька експериментів із системою за різних розтягів пружини.
- Визначити прискорення руху системи під час гальмування в кожному випадку та його середнє значення.
- Розрахувати коефіцієнт сухого тертя ковзання.
Обладнання:
горизонтальна поверхня, мобільний телефон, поліетиленовий пакет, довга пружина із затискачем або гумовий шнур, нитка, біндер, ПК, додаткові вантажі (за потреби); мобільний додаток Phyphox (https://phyphox.org/)
Теоретична частина
Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментальної установки
У цій роботі зазначений мобільний додаток буде використовуватися для визначення прискорення руху системи в момент гальмування. Система складається з довгої пружини, закріпленої на горизонтальній поверхні одним кінцем, та мобільного телефону, вміщеного в поліетиленовий пакет і з’єднаного з пружиною за допомогою біндера.
Оскільки в момент гальмування прискорення телефону надаватиме тільки сила тертя, динамічне рівняння буде мати вигляд:
μmg = ma (1).
Після перетворень отримаємо вираз для розрахунку коефіцієнта сухого тертя:
(2).
За потреби, довантажуючи телефон іншими вантажами, можна отримувати додаткові серії даних для опрацювання.
Хід роботи
- Закріпіть на горизонтальній поверхні один із кінців довгої пружини. Доберіть довжину нитки, якою пружину буде скріплено з поліетиленовим пакетом, так, щоб дати телефону можливість рухатися до повної зупинки.
- Відкрийте додаток Phyphox та оберіть у ньому вкладинку «Acceleration (without g)».
- Помістіть телефон у пакет і з’єднайте ниткою пружину з пакетом.
- Розтягніть пружину, переміщуючи пакет з телефоном на деяку відстань. Увімкніть запис даних та відпустіть телефон. Повторіть ці дії ще кілька разів.
Аналіз даних
- Для розрахунків потрібні значення прискорення руху телефону, виміряні лише за однією віссю. На графіках додатку знайдіть ту вісь, для якої графік зміни прискорення буде містити таке зображення:
- Горизонтальна ділянка графіка, яка відповідає значенню прискорення зі знаком «-», і є тим моментом у часі, коли телефон зупиняється під впливом сили тертя.
- Інструментом виділення даних у додатку можна обрати ці ділянки та попередньо оцінити середнє значення модуля прискорення під час гальмування в кожному експерименті.
- Для більш точного розрахунку значення прискорення скористайтеся інструментом перенесення даних з мобільного телефону на ПК. Це здійснюється двома шляхами: передачею файлу з даними через електронну пошту чи месенджери або ж через віддалене керування додатком з ПК через мережу wi-fi.
- Завантажте файл з даними на ПК та, відкривши його в математичних таблицях Excel, виділіть дані для значення прискорення в момент гальмування й визначте середнє значення.
- Занотуйте отримане значення до таблиці; повторіть дії для інших випадків та розрахуйте середнє значення.
- За формулою (2) розрахуйте коефіцієнт сухого тертя.
- За потреби змініть умови експерименту, довантажуючи пакет з телефоном іншими вантажами, та повторіть дії. Зробіть висновок з роботи.
Таблиця результатів
№ | Прискорення руху системи
а, (м/с2) |
Середнє значення прискорення руху системи
ас, (м/с2) |
Коефіцієнт тертя
μ |
1. | |||
2. | |||
3. | |||
4. | |||
5. |