بررسی اصطکاک از طریق پرتاب اشیا روی سطح

آیا تا به حال سعی کرده اید پس از دویدن روی یک سطح چوبی با جوراب در انتهای مسیر روی کف سر بخورید؟ اگر همین کار را روی یک سطح دارای فرش یا با کفش انجام دهید چه اتفاقی رخ می دهد؟ مقدار اصطکاک میان پای شما و سطح زمین تعیین می کند که چقدر راحت روی زمین سر بخورید. برخی از ترکیب های سطوح مانند جوراب روی کف چوبی، اصطکاک بسیار کمی ایجاد می کنند.

برخی دیگر مانند کفش با کفه لاستیکی روی کف چوبی اصطکاک بیشتری تولید می کنند. در این فعالیت علمی شما آزمایشی در مورد اصطکاک در ابعاد کوچک با پرتاب اشیای ریز روی سطح توسط یک کش لاستیکی انجام خواهید داد. به نظر شما اصطکاک چه تأثیری بر مسافتی که جسم روی سطح طی می کند دارد؟

پیش زمینه:

اصطکاک نیروی مخالف حرکت است که بین دو جسم در تماس با هم به وجود می آید. اصطکاک بخش بسیار مهمی از زندگی روزمره ما را تشکیل می دهد. بدون اصطکاک ما انسان ها قادر به راه رفتن نیستیم زیرا پای ما همیشه روی زمین سُر می خورد!

اصطکاک بالا در مواردی برای برخی سطوح بسیار مهم است، مانند لاستیک ماشین در جاده ها. گاهی نیز علاقه مندیم سطوح اصطکاک پایینی داشته باشند، مانند زمانی که می خواهید در پارک سرسره بازی کنید یا روی برف سورتمه سواری کنید، مقدار اصطکاک بسته به نوع موادی که در تماس با هم قرار می گیرند متفاوت است.

عامل موثر دیگر بر اصطکاک روی یک جسم وزن آن است. تصور کنید می خواهید دو جعبه با جنس مشابه را هل دهید که یکی از دیگری سنگین تر است. برای حرکت دادن جعبه ی سنگین تر باید فشار بیشتری به آن وارد کنید. علت آن است که جاذبه جعبه سنگین تر را به سمت پایین می کشد و سبب افزایش اصطکاک آن با سطح زمین می شود. در این فعالیت علمی شما وزن اجسام مورد استفاده را ثابت نگه می دارید و بدون نگرانی در مورد اثر گرانش، تأثیر جنس مواد مختلف بر اصطکاک را بررسی خواهید کرد.

مواد و وسایل مورد نیاز:

کش لاستیکی
پنج یا شش عدد سکه
نوار چسب
یک سطح چوبی صاف، مانند میز یا کف زمین (اگر سطح چوبی صاف در دسترس تان نیست می توانید به عنوان جایگزین از یک سطح صاف مانند روی کابینت استفاده کنید.)
یک سطح که روی آن فرش یا موکت باشد. (اگر به چنین سطحی دسترسی ندارید، می توانید چند دستمال کاغذی را روی یک سطح صاف با نوار چسب بچسبانید.)
خط کش (اختیاری)
 

آماده سازی:

سکه ها را روی هم قرار دهید و آنها را در همین حالت با نوار چسب به هم بچسبانید تا از جای خود تکان نخورند. دقت داشته باشید که قسمت زیرین سکه ها صاف باشد و هیچ گوشه ی تیزی از نوار چسب از آن بیرون نزده باشد. (زیرا ممکن است به فرش یا موکت گیر کند.)

 دقت کنید که سطح کار شما (سطح فرش و چوب) باید بدون هیچ وسیله اضافه و مانع باشد.

روش کار:

انگشت شست و اشاره ی خود را به شکل حرف C دربیاورید.

حال با دقت کش لاستیکی را بین انگشت شست و اشاره بکشید تا یک تیرکمان تشکیل شود.

همچنان با دقت در حالی که کش لاستیکی را در همان حالت بین انگشتانتان کشیده اید، دست خود را طوری به سمت زمین برگردانید که نوک انگشت اشاره و شست تان در تماس با سطح چوبی قرار بگیرد و کش لاستیکی با فاصله ی کمی در بالای سطح باشد.

ستون سکه ها را مقابل کمان بگذارید و آن را همراه با کش لاستیکی به عقب بکشید. توجه کنید که چه مقدار کش و سکه ها را عقب می برید زیرا باید در تمام مراحل سکه ها را همین قدر عقب بکشید. به نظرتان با رها کردن سکه ها چه اتفاقی می افتد؟

سکه ها را رها کنید. از نزدیک آنها را نگاه کنید. سکه ها حتماً باید روی سطح چوبی سر بخورند و نباید به هوا پرتاب شوند. اگر سکه ها روی سطح سر نمی خورند، تنظیمات پرتاب خود را تغییر دهید.

همین مراحل را چند بار تکرار کنید و بررسی کنید که سکه ها چه مسافتی را طی می کنند. دقت داشته باشید که در تمام این دفعات باید سکه ها و کش را به یک اندازه عقب بکشید. آیا سکه ها مسافت زیادی را روی سطح چوبی سُر می خورند یا به سرعت متوقف می شوند؟ این مشاهدات چه چیزی در مورد اصطکاک میان سکه ها و سطح چوبی بیان می کند؟

حال همین مراحل را روی فرش یا موکت انجام دهید. دقت داشته باشید که چسب دور سکه ها مانع از حرکت آنها روی سطح نشود. مسافت طی شده توسط سکه ها روی فرش یا موکت چقدر است؟ این مسافت در مقایسه با حالتی که سکه ها روی سطح چوبی بودند کمتر است یا بیشتر؟ این نتایج چه چیزی در مورد اصطکاک میان ستون سکه ها و فرش یا موکت بیان می کند؟ اصطکاک در این حالت بیشتر است یا کمتر؟

آزمایش های تکمیلی:

با استفاده از خط کش مسافت طی شده توسط سکه ها در تمام حالت ها را اندازه بگیرید. نتایج را در یک جدول یادداشت کنید و سپس میانگین مسافت طی شده توسط سکه ها روی هر سطح را محاسبه کنید. به طور میانگین سکه ها چه مسافتی روی سطح چوبی طی می کنند؟ این مسافت میانگین در مورد فرش یا موکت چقدر است؟

 همین مراحل را روی سطوح دیگری به جز چوب، فرش یا موکت انجام دهید. برای مثال می توانید همین آزمایش را روی سطح سخت و خشن پیاده رو انجام دهید. هم چنین می توانید سطوح متفاوت دیگری در منزل پیدا کنید. سکه ها روی سطوح با جنس های متفاوت چه مسافتی طی می کنند؟ آیا می توانید تنها با نگاه کردن به یک سطح حدس بزنید اصطکاک آن زیاد است یا کم؟

 همین آزمایش را با اشیای دیگری به جای ستون سکه ها انجام دهید. برای مثال اگر این آزمایش را با یک پاک کن بزرگ انجام دهید نتایج چه تغییری می کند؟ به خاطر داشته باشید که وزن یک جسم تعیین کننده اصطکاک وارد بر آن است. در نتیجه سعی کنید اجسامی با وزن تقریبی یکسان انتخاب کنید.

(هم چنین می توانید برای دقت بیشتر اجسام مورد استفاده را با ترازوی آشپزخانه وزن کنید.) آیا می توانید جسمی پیدا کنید که در تمام حالات مسافت بیشتری نسبت به ستون سکه ها طی کند؟ آیا می توانید جسمی پیدا کنید که در تمام حالت ها و روی تمام سطوح مسافت بسیار کمی طی می کند؟

مشاهده و نتیجه گیری:

ستون سکه ها روی سطح صاف چوبی مسافت بیشتری طی می کند یا روی فرش و موکت؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که ستون سکه ها مسافت بسیار بیشتری را روی سطح چوبی در مقایسه با فرش یا موکت طی می کند. بسته به قدرت کش لاستیکی مورد استفاده در این آزمایش و اینکه چه میزان سکه ها را به عقب کشیده باشید، ممکن است حتی سکه ها تمام مسیر روی سطح چوبی را تا انتها طی کرده باشند.  دلیل آن است که اصطکاک بسیار بیشتری میان فرش یا موکت و سکه ها در مقایسه با سطح چوبی وجود دارد. سکه ها روی سطح چوبی مسافت بیشتری قبل از توقف سُر می خورند زیرا اصطکاک کمتری در مقابل حرکت آنها به جلو وجود دارد.

منبع: Slippery Science

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نیلوفر یاقوتی