Визначення коефіцієнта тертя ковзання за допомогою смартфона

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Створити теоретичну модель руху тіла під час гальмування та отримати вираз для розрахунку коефіцієнта сухого тертя.
  2. Підготувати та скласти експериментальну установку.
  3. Провести декілька експериментів із системою за різних розтягів пружини.
  4. Визначити прискорення руху системи під час гальмування в кожному випадку та його середнє значення.
  5. 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

  1. 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.
  2. Відкрийте додаток Phyphox та оберіть у ньому вкладинку «Acceleration (without g)».
  3. Помістіть телефон у пакет і з’єднайте ниткою пружину з пакетом.
  4. Розтягніть пружину, переміщуючи пакет з телефоном на деяку відстань. Увімкніть запис даних та відпустіть телефон. Повторіть ці дії ще кілька разів.

Аналіз даних

  1. 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:

  1. Горизонтальна ділянка графіка, яка відповідає значенню прискорення зі знаком «-», і є тим моментом у часі, коли телефон зупиняється під впливом сили тертя.
  2. Інструментом виділення даних у додатку можна обрати ці ділянки та попередньо оцінити середнє значення модуля прискорення під час гальмування в кожному експерименті.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Занотуйте отримане значення до таблиці; повторіть дії для інших випадків та розрахуйте середнє значення.
  6. За формулою (2) розрахуйте коефіцієнт сухого тертя.
  7. 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.