وب سایت موسسه فرهنگی و اطلاع رسانی تبیان
وب سایت موسسه فرهنگی و اطلاع رسانی تبیان
سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
آیا تا به حال در مسافرت به جاده ای یخ بندان رسیده اید؟ در این شرایط احتمالاً تابلوی «احتیاط، جاده لغزنده» را می بینید. به نظرتان چرا یخ باعث خطرناک شدن رانندگی می شود؟ دلیل آن مربوط به اصطکاک یا به بیان دقیق تر نبود اصطکاک است.....
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

سُر نخورید!

سُر نخورید!


 مقدمه:

آیا تا به حال در مسافرت به جاده ای یخ بندان رسیده اید؟ در این شرایط احتمالاً تابلوی «احتیاط، جاده لغزنده» را می بینید. به نظرتان چرا یخ باعث خطرناک شدن رانندگی می شود؟ دلیل آن مربوط به اصطکاک یا به بیان دقیق تر نبود اصطکاک است.

سُر نخورید!

به طور خاص در مورد اتومبیلی که در جاده حرکت می کند، اصطکاک موجود میان لاستیک های اتومبیل و سطح جاده به ماشین امکان حرکت را می دهد. این اصطکاک معمولاً سبب می شود چرخ های اتومبیل به کف جاده گیر کنند و در تماس با سطح نسبتاً خشن جاده باشند. بدین ترتیب راننده کنترل اتومبیل را در اختیار دارد. با این وجود هنگامی که جاده یخ زده است، اصطکاک میان این دو سطح کاهش می یابد و اتومبیل روی سطح جاده سر می خورد. شما می توانید این شرایط را در منزل با استفاده از چند وسیله ی ساده شبیه سازی کنید تا موضوع را دقیق تر بررسی کنید.

سُر نخورید!

پیش زمینه:

اصطکاک مقاومت در برابر حرکت هنگام تماس دو جسم با هم است. یک مثال از اصطکاک پایین سر خوردن از یک تپه ی یخی با سورتمه است. در این شرایط سر خوردن بسیار آسان است زیرا سورتمه و یخ روی تپه سطوح صیقلی دارند و با مقاومت بسیار کمی از روی هم عبور می کنند. در مقابل، سر خوردن روی یک مسیر بتنی زبر تقریباً غیر ممکن است زیرا سطح خشن مسیر مقاومت بسیار زیادی در برابر حرکت سورتمه ایجاد می کند. این یک نمونه از اصطکاک بالاست.

سُر نخورید!

همانطور که قابل تصور است، اصطکاک زمانی اتفاق می افتد که بخش های زبر دو جسم در تماس با هم قرار می گیرند. مقاومت ایجاد شده به مقداری به نام ضریب اصطکاک وابسته است. ضریب اصطکاک معیاری از تعامل دو جسم در تماس با هم است و به جنس دو ماده بستگی دارد. اصطکاک همچنین به جرم جسم متحرک در اثر جاذبه بستگی دارد. تمام این عوامل در تعیین میزان اصطکاک میان دو جسم در تماس با هم تأثیرگذار است.

سُر نخورید!

مواد و وسایل مورد نیاز:

دو تخته چوب یکسان دو در چهار با طول نیم متر

 ظرف پلاستیکی کوچک دردار

 شن و ماسه یا هر ماده ی چگال دیگر برای پر کردن ظرف پلاستیکی

 آب

 فریزر

 چند کتاب

 خط کش

 نقاله

 سطحی دارای فرش یا موکت که خیس شدن آن اشکالی نداشته باشد (می توانید روی آنها را با لایه ای محافظ مانند کیسه زباله ی بزرگ بپوشانید.)

آماده سازی:

دقت داشته باشید که سطوح تکه چوب های مورد استفاده باید ابعادی یکسان داشته باشند و زبری سطح هر دو مشابه باشد.

 یک تکه چوب را در آب خیس کنید. برای این کار می توانید چوب را به مدت سی دقیقه در یک وان حمام پر شده با آب تا ارتفاع چند اینچ قرار دهید.

 چوب خیس را به مدت یک شب تا صبح در فریزر قرار دهید.

 ظرف پلاستیکی را با شن و ماسه یا هر ماده ی چگال دیگر پر کنید و در آن را ببندید.

 هنگام کار با تکه های چوب به خصوص اگر سطح زبری دارند بسیار مراقب باشید. (می توانید حین کار دستکش بپوشید.)

روش کار:

روی سطح کارتان (سطح دارای فرش یا موکت) با کمک کتاب ها و تکه چوب خشک یک سطح شیب دار بسازید. دقت داشته باشید که همواره یک سمت از تکه چوب با کتاب ها در تماس باشد.

 ظرف حاوی شن و ماسه را در بالای سطح شیب دار نگه دارید و سپس آن را رها کنید. چنانچه ظرف روی چوب سر می خورد، شیب را با برداشتن یک کتاب کاهش دهید. اگر ظرف روی چوب سر نمی خورد، شیب را با اضافه کردن یک کتاب بیشتر کنید. ارتفاع ستون کتاب ها در حالتی که ظرف به پایین سر می خورد چقدر است؟ کوتاه ترین ارتفاع ستون کتاب برای اینکه ظرف روی چوب به پایین سر بخورد چقدر است؟

 حال با نقاله زاویه ی میان سطح شیب دار و زمین را در حالتی که ظرف با کوتاه ترین ارتفاع ستون کتاب سر می خورد اندازه بگیرید. این عدد چند است؟

 پس از اتمام آزمایش های مربوط به تکه چوب خشک، چوب یخ زده را از فریزر بیرون بیاورید. (به دلیل اینکه یخ در دمای اتاق ذوب می شود، قبل از بیرون آوردن تکه چوب از فریزر تمام وسایل را آماده کنید تا آزمایش ها را قبل از ذوب شدن یخ انجام دهید.) چوب یخ زده چه تفاوتی با تکه چوب خشک دارد؟

 اکنون تمام مراحل مربوط به تکه چوب خشک را با چوب یخ زده تکرار کنید. کمترین ارتفاع لازم ستون کتاب ها برای سر خوردن ظرف روی چوب یخ زده چقدر است؟ با نقاله زاویه ی میان سطح شیب دار و زمین را اندازه بگیرید.

 می توانید هر دو چوب را با ارتفاع های مختلف ستون کتاب چند بار امتحان کنید. آیا نتایج یکسانی در دفعات مختلف به دست می آورید یا خیر؟

 به طور کلی، کدام سطح شیب دار (سطح شیب دار با تکه چوب خشک یا سطح شیب دار با چوب یخ زده) امکان سر خوردن ظرف در ارتفاع کمتری از ستون کتاب ها (زاویه ی کمتر) را ایجاد می کنند؟

 نکته: اگر در طول انجام آزمایش یخ چوب ذوب شد، آن را به صورت افقی در فریزر قرار دهید و مقداری آب روی تمام سطح آن بریزید. چوب باید حداقل به مدت یک ساعت در فریزر بماند. پس از گذشت این زمان می توانید با سطح یخ زده ی چوب ادامه ی آزمایش های خود را انجام دهید.

سُر نخورید!

آزمایش های تکمیلی:

ظرف پلاستیکی روی سطوح شیب دار با جنس های دیگر چگونه عمل خواهد کرد؟ می توانید سطوح شیب داری از جنس های مختلف از جمله کاغذ آلومینیومی، سطح روغنی و غیره بسازید. همچنین می توانید به جای این کار کف ظرف پلاستیکی را با این مواد پوشش دهید. نحوه ی سر خوردن ظرف پلاستیکی روی سطوح با جنس های مختلف چگونه است؟

 اگر ارتفاع و طول سطح شیب دار را بدانید، نیازی به نقاله برای اندازه گیری زاویه ندارید. می توانید زاویه را با استفاده از فرمول ریاضی زیر به دست بیاورید:

Sin(theta)= ضلع مقابل/ وتر

در این فرمول تتا زاویه ی شیب، ضلع مقابل ارتفاع سطح شیب دار و وتر طول سطح شیب دار است. آیا زاویه ی به دست آمده از این فرمول با زاویه ی اندازه گیری شده با نقاله برابر است؟

سُر نخورید!

مشاهده و نتیجه گیری:

به طور کلی آیا ظرف روی سطح یخی آسان تر از سطح چوب خشک به پایین سر می خورد؟ آیا کمترین زاویه ی مورد نیاز برای سر خوردن ظرف به پایین روی سطح یخی کوچکتر از زاویه ی مربوط به سطح چوب خشک است؟

هنگامی که دو جسم در تماس با یگدیگر قرار می گیرند اصطکاک وجود دارد. سطح دو جسم در تماس، میزان این اصطکاک را تعیین می کند. در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که اصطکاک میان ظرف پلاستیکی و سطح یخی کمتر از اصطکاک میان ظرف و سطح چوب خشک است. به بیان دیگر، در هنگام استفاده از سطح یخی به عنوان سطح شیب دار، زاویه ی کمتری برای سر خوردن ظرف مورد نیاز است.

سُر نخورید!

به منظور محاسبه ی نیروی اصطکاک باید ضریب اصطکاک را در نیروی تولید شده توسط جسم، یعنی جرم ظرف در کشش جاذبه ضرب کرد. در این فعالیت علمی جرم ظرف و جاذبه ی زمین ثابت است، اما ضریب اصطکاک دو سطح شیب دار با هم متفاوت هستند. ضریب اصطکاک میان سطح یخی و ظرف کمتر از ضریب اصطکاک میان سطح چوب خشک و ظرف است. این تفاوت را می توانید با به آرامی کشیدن دستانتان روی دو سطح حس کنید زیرا یخ سطح چوب را صیقلی می کند.


منبع: Scientific American

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین