Үйкеліс күшін қалай өлшеуге болады
Үйкеліс - күнделікті өмірде кездесетін ең көп таралған күштердің бірі, аяқ киімнің жол бетін жабыстырып қалуынан, көлік шиналарының тайғақтануына жол бермеуінен бастап, қарындаш іздерінің өшіргішпен өшірілуіне дейін. Қарапайым болып көрінгенімен, үйкеліс ғылым мен техникада маңызды рөл атқарады, себебі ол қозғалыс тиімділігіне, қауіпсіздігіне және әртүрлі құралдардың жұмысына әсер етеді. Сондықтан үйкелісті қалай өлшеу керектігін түсіну физикадағы, әсіресе динамикада негізгі дағды болып табылады.
1. Үйкеліс күшінің негізгі ұғымын түсіну
Жалпы алғанда, үйкеліс - екі бет жанасып, бір-біріне қатысты қозғалғанда (немесе қозғалуға бейім болғанда) пайда болатын күш. Үйкеліс күшінің бағыты әрқашан заттың қозғалыс бағытына немесе қозғалуға бейімділігіне қарама-қарсы болады.
Үйкеліс күштерінің екі негізгі түрі бар:
1. Статикалық үйкеліс күші (fs): зат әлі қозғалмаған кезде, бірақ күш оны қозғалтуға тырысқанда пайда болады. Оның шамасы максималды мәнге жеткенше өзгереді.
2. Кинетикалық үйкеліс күші (fk): зат қозғалып тұрған кезде пайда болады. Оның мәні статикалық үйкеліске қарағанда салыстырмалы түрде тұрақты.
Жиі қолданылатын жалпы формулалар:
– Максималды статикалық үйкеліс күші:
\[
f_{s \,max} = \mu_s \, N
\]
– Кинетикалық үйкеліс күші:
\[
f_k = \mu_k \, N
\]
Ақпарат:
– \( \mu_s \) = статикалық үйкеліс коэффициенті
– \( \mu_k \) = кинетикалық үйкеліс коэффициенті
– \( N \) = қалыпты күш (затқа түсетін беттік қысым күші)
Үйкеліс күшін өлшеу дегеніміз, әдетте күш өлшегіш құралмен немесе қозғалыс талдауымен тәжірибе жүзінде әсер ететін күштің мәнін анықтау дегенді білдіреді.
2. Үйкеліс күшін өлшеуге арналған құралдар мен материалдар
Мектепте немесе үйде қарапайым тәжірибелер үшін қажетті құралдарды табу салыстырмалы түрде оңай:
– Динамометр (серіппелі баланс): күшті Ньютонмен (Н) өлшеуге арналған құрал
– Тексерілетін заттар: мысалы, ағаш блоктар, өшіргіштер, кішкентай қораптар
– Сынақ беттері: ағаш үстелдер, шыны, керамикалық едендер, зімпара қағазы, қағаз
– Арқан немесе ілмек: заттарды тарту үшін
– Масса шкаласы (міндетті емес): заттың массасын анықтау үшін
– Транспортир және көлбеу жазықтық (көлбеу жазықтық әдісі қолданылған жағдайда)
Бұл қарапайым құралдың көмегімен біз максималды статикалық үйкеліс күшін де, кинетикалық үйкеліс күшін де өлшей аламыз.
3. 1-әдіс: Динамометрмен үйкеліс күшін өлшеу (Көлденең тарту әдісі)
Ең тікелей әдіс - динамометрді пайдаланып, затты тегіс бетке тарту.
A. Максималды статикалық үйкеліс күшін өлшеу
Лангка-лангка:
1. Затты (мысалы, ағаш кесегін) тегіс бетке қойыңыз.
2. Жіпті заттың айналасына іліңіз және оны динамометрге қосыңыз.
3. Баяу тартып, тарту күшін біртіндеп арттырыңыз.
4. Динамометрдегі көрсеткішті бақылаңыз. Нысан қозғалмай тұрғанда, статикалық үйкеліс күші созылу күшіне тең болады.
5. Зат қозғала бастаған кездегі күштің мәнін жазып алыңыз. Бұл мән максималды статикалық үйкеліс күші (\( f_{s \,max} \)).
Маңызды ескерту: тым тез алу көрсеткіштің күрт өсуіне және дәлдігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін. Алу тұрақты болуы керек.
B. Кинетикалық үйкеліс күшін өлшеу
Лангка-лангка:
1. Нысан қозғалғаннан кейін, ол тұрақты жылдамдықпен қозғалатындай етіп тарту күшін сақтаңыз.
2. Егер жылдамдық тұрақты болса, онда пайда болған күш нөлге жақындайды, яғни тарту күші кинетикалық үйкеліс күшімен бірдей.
3. Тұрақты қозғалыс кезінде динамометрде тұрақты түрде оқылатын санды белгілеңіз. Бұл \( f_k \).
Әдетте, \(f_k \) \(f_{s \,max} \) мәнінен кіші. Сондықтан нысандардың «қозғалысын жалғастырудан» гөрі «қозғалысын бастауы» қиынырақ.
4. Өлшеулер бойынша үйкеліс коэффициентін есептеу
Егер қалыпты күш \(N \) белгілі болса, үйкеліс коэффициентін есептей аламыз.
Тегіс бетте:
\[
N = мг
\]
бірге:
– \( м \) = заттың массасы (кг)
– \( g \) = ауырлық күшінің әсерінен болатын үдеу (жақындату үшін ≈ 9,8 м/с² немесе 10 м/с²)
Егер біз \(f_{s \,max} \) алсақ, онда:
\[
\mu_s = \frac{f_{s \max}}{N}
\]
Егер \( f_k \) алынған болса, онда:
\[
\mu_k = \frac{f_k}{N}
\]
Қысқа мысал
Мысалы, үстелге салмағы 2 кг блок тартылады.
Қозғалыс басталған кездегі күш 6 Н, ал үздіксіз қозғалғанда 4 Н болады.
Сонымен:
– \( N = мг = 2 \ есе 10 = 20 \) N
– \( \mu_s = 6/20 = 0,3 \)
– \( \mu_k = 4/20 = 0,2 \)
Бұл нәтиже мағыналы, себебі кинетикалық үйкеліс коэффициенті әдетте аз болады.
5. 2-әдіс: Көлбеу жазықтықпен үйкеліс күшін өлшеу
Көлбеу жазықтық әдісі көбінесе динамометр болмаған кезде немесе балама әдіс ретінде қолданылады.
Принцип
Біз тақтайдың көлбеу бұрышын зат сырғанай бастағанша арттырамыз. Сол кезде жазықтыққа параллель салмақ күшінің компоненті максималды статикалық үйкеліс күшіне тең болады.
Егер сыни бұрыш √(√√) болса, онда:
\[
\mu_s = \tan(\theta)
\]
Бұл объект қосымша күш түсірмей көлбеу жазықтықта қозғала бастаған жағдайға қатысты.
Лангка-лангка:
1. Затты тақтаға қойыңыз.
2. Тақтаны баяу көтеріңіз, сонда бұрыш біртіндеп артады.
3. Нысанның қозғала бастайтын бұрышын бақылаңыз.
4. Бұрышты транспортирмен немесе бұрыш өлшеу құралымен өлшеңіз.
5. \( \mu_s \) \( \tan(\theta) \) көмегімен есептеңіз.
Кинетикалық үйкеліс үшін белгілі бір бұрышты орнатып, сырғанау кезіндегі заттың үдеуін өлшеп, содан кейін әсер ететін күштерді талдай аласыз. Дегенмен, бұл әдіс сәл күрделірек және әдетте уақытты/қашықтықты өлшеуді қажет етеді.
6. Өлшеу нәтижелеріне әсер ететін факторлар
Үйкеліс күшін өлшеу әрқашан бірдей мәнді бере бермейді, себебі оған көптеген факторлар әсер етеді, соның ішінде:
– Беттің кедір-бұдырлығы: кедір-бұдыр беттер әдетте үйкелісті арттырады.
– Беткі тазалық: шаң, май немесе су үйкеліс мәнін өзгертуі мүмкін.
– Жанасу аймағы: идеалды физика модельдерінде жанасу аймағы үйкеліске тікелей әсер етпейді, бірақ нақты материалдарда деформацияға байланысты әсер етуі мүмкін.
– Қозғалыс жылдамдығы: кейбір материалдарда үйкеліс жылдамдықтың өзгеруімен өзгеруі мүмкін.
– Температура және ылғалдылық: әсіресе қасиеттерін оңай өзгертетін резеңке немесе материалдар үшін.
– Қалай тарту керек: егер тарту күші бетке параллель болмаса (аздап көтерілсе), қалыпты күш үйкеліс күші де өзгеретіндей етіп өзгереді.
Сондықтан, дәлірек нәтижелер алу үшін тәжірибені бірнеше рет жасап, орташа мәнді алыңыз.
7. Дәлірек өлшеулерге арналған кеңестер
Кейбір практикалық кеңестер:
1. Максималды статикалық үйкелісті өлшей отырып, затты баяу тартыңыз.
2. Тарту күші бетке параллель екеніне көз жеткізіңіз, сонда \(N \) өзгермейді.
3. Өлшеулерді кемінде 3 рет қайталаңыз.
4. Деректерді салыстыру үшін беткі жағдайды (құрғақ, шаңды, тайғақ) ескеріңіз.
5. Күшті дұрыс өлшеу үшін тұрақты және оңай аударылып кетпейтін затты пайдаланыңыз.
Жабу
Үйкелісті өлшеу қарапайым, бірақ ғылыми жолмен жүргізілуі мүмкін. Ең көп таралған әдіс - зат қозғала бастаған кездегі күшті өлшеу үшін динамометрді пайдалану (максималды статикалық үйкеліс) және тұрақты жылдамдықпен қозғалған кездегі күшті өлшеу (кинетикалық үйкеліс). Тағы бір балама - көлбеу жазықтық әдісі, ол статикалық үйкеліс коэффициентін анықтау үшін критикалық бұрышты пайдаланады. Өлшеулерден біз үйкеліс коэффициентін есептеп, беттік жағдайлардың үйкеліс шамасына қалай әсер ететінін түсіне аламыз.
Үйкелісті қалай өлшеу керектігін түсіну арқылы біз тек физика тұжырымдамасын ғана емес, сонымен қатар әртүрлі күнделікті әрекеттерде және инженерияда қауіпсіздікті, тиімділікті және жайлылықты анықтайтын маңызды құбылысты түсінеміз. Қаласаңыз, мен үйкеліске қатысты эксперименттік деректер кестесін, зертханалық есеп форматын немесе жаттығу сұрақтарын қоса аламын.
