Informe Força DE Fricció FIS1 PDF

Preview

Summary

Download Informe Força DE Fricció FIS1 PDF

Description

Estudi de la Força de Fricció

Pau Becana – Albert Alcobé Pràctica Física I

Estudi de la força de fricció

Índex: 1. Introducció 2. Part experimental 3. Informe de les dades experimentals 4. Qüestions 5. Anàlisi dels resultats 6. Conclusions

Estudi de la força de fricció

1. Introducció: L’objectiu de la pràctica és analitzar el comportament de la força de fricció i determinar-ne les principals dependències. Concretament s’estudiarà la dependència de la força de fricció de la natura de les superfícies en contacte, la massa de l’objecte, de la velocitat d’arrossegament i de la inclinació de la superfície sobre la que llisca el cos a estudiar. Però abans, hem d’entendre què és la força de fricció o fregament: Quan hi ha un moviment relatiu entre dos cossos que estan en contacte, cal aplicar una força constant (F) en la direcció del moviment per tal que aquest es mantingui. D’acord a la segona llei de Newton, si un cos es mou seguint un moviment rectilini uniforme, la força resultant que hi actua és zero. Per tant, ha d’existir una altra força actuant de forma que la suma de les dues forces sigui zero. En el nostre cas, a aquesta força oposada li direm força de fricció o fregament (f).

Figura 1. Diagrama de cos lliure on actua la força de fricció.

En general, podem distingir entre tres tipus de friccions: -

Fricció de Coulomb o fricció en sec:

Aquesta és la fricció que apareix quan dues superfícies sòlides entren en contacte directe. Quan entre aquestes dues superfícies existeixi un moviment relatiu l’anomenarem fricció cinètica, però, quan no existeixi un desplaçament relatiu entre les superfícies l’anomenarem fricció estàtica. Actua sempre

Estudi de la força de fricció

tangencialment a les superfícies en contacte, en el punt on es produeixi, amb la mateixa direcció que el moviment però en sentit contrari. -

Fricció viscosa:

És la fricció que es produeix sempre que un cos està en contacte amb un fluid. La trobem quan un cos es mou dins d’un fluid o quan hi ha una capa d’algun fluid entre les superfícies en contacte de dos sòlids que experimenten un desplaçament relatiu. La propietat física que caracteritza la fricció dels fluids s’anomena viscositat. -

Fricció estructural o de histèresi:

Es presenta en els cossos sòlids quan són deformats. Apareix amb conseqüència de les forces de cohesió interna de la matèria, responsables de mantindré la seva forma i volum. Durant la realització d’aquesta pràctica estudiarem la força de fricció de Coulomb o fricció en sec. Com hem explicat anteriorment, aquesta força presenta dos comportaments diferents, segons els cossos de contacte estiguin en repòs o experimentin un desplaçament relatiu, trobarem la fricció estàtica o cinètica, respectivament.

Figura 2. Relació entre la força de fricció (f) i la força aplicada (F).

La zona estàtica defineix quan la força (F) es posi de manifest pel fet que, malgrat apliquem una força paral·lela a la direcció de moviment sobre el cos,

Estudi de la força de fricció

aquest segueix en repòs. En cada instant, la força de fricció (f) iguala la força aplicada (F).

Si anem augmentant la força aplicada, arriba un moment en que el cos es posa en moviment, el valor màxim de la força de fricció estàtica (fmáx) dependrà de la naturalesa de les superfícies que es troben en contacte. Sempre i quan el cos estigui en moviment, la força de fricció que actua és la fricció cinètica (fk), a diferència de l’estàtica té una intensitat constant.

Estudi de la força de fricció

2. Realització experimental: Els experiments que realitzarem durant la pràctica es realitzen tots de forma similar. Sobre un carril d’alumini hi posarem una llengüeta de plàstic que està lligada a una corda per l’extrem. L’extrem oposat estarà lligat a la politja d’un motor síncron. Sobre la llengüeta hi col·locarem diferents cossos de fricció que es trobaran subjectes a un dinamòmetre. Quan posem en marxa el motor i estiri la corda, la llengüeta es posarà en moviment i arrossegarà el cos, de manera que podrem llegir el valor de la força de fricció entre la llengüeta i el cos mitjançant el dinamòmetre. Quan aquesta força superi un cert valor, el cos deixarà d’avançar i començarà a lliscar per sobre de la llengüeta. Així que, com hem explicat en la introducció, el valor màxim que indica el dinamòmetre just abans de que comenci a lliscar el cos, correspondrà a la fricció estàtica, i el valor que mostrarà durant el lliscament correspondrà al de la fricció cinètica. A continuació descriurem els elements i instruments utilitzats en aquesta pràctica. Per realitzar l’experiment disposàvem de: -

Un carril d’alumini: En forma de “U”, pot girar al voltant d’un eix longitudinal paral·lel a la direcció de moviment de les masses sobre el carril i la inclinació es podia graduar amb una escala angular situada amb un dels extrems del carril.

-

Una llengüeta de plàstic : Estava situada dins del carril, tenia una cordal lligada a un dels extrems de la llengüeta i una de les cares es mes rugosa que l’altra.

-

Diferents cossos de fricció: Un cos A de mesura 80x73x40mm2 i una massa de 325 grams, té una superfície de fricció de PVC i dos punts de subjecció. Un cos B de

Estudi de la força de fricció

mesura 73x53x18mm2 i una massa de 102 grams, té una superfície de fricció de PVC. Sobre aquesta peça es podien col·locar fins a tres masses addicionals de 100 grams cadascuna. Un cos C de mesura 105x73x29mm2 i una massa de 316 grams, té una superfície de PVC i un altra de felpa i en la seva part inferior porta uns rodets per fer que la fricció amb l’angle inferior del carril sigui quasi bé nul·la. A més, disposàvem d’unes plaques d’alumini amb una bora plegada que es podien posar sota la peça per modificar el material de la superfície de fricció. En trobem tres de diferents; una de goma amb 14 grams de massa, una de tefló amb 13 grams de massa i per últim, una d’alumini amb 11 grams de massa.

Figura 3. Eines de la pràctica

-

Un dinamòmetre: Es tracta d’un aparell de mesura que s’utilitza per mesurar forces, aquest en concret era de 5N.

-

Motor síncron: Estava connectat a una freqüència de 50Hz. Girava a una velocitat constant de 250 rpm. Amb un engranatge aconsegueix que l’eix que surt a l’exterior de la caixa giri a 1 rpm. Sobre aquet eix i ha una politja que té tres perímetres, de 240mm, 120mm i 60mm. Segons el perímetre de l’eix la llengüeta podia experimentar tres velocitats diferents; 4 mm/s, 2 mm/s i 1mm/s, respectivament. A més a més teníem la opció d’invertir el sentit

Estudi de la força de fricció

de gir del motor mitjançant un botó. Podíem triar el diàmetre de la politja que desitgéssim segons l’experiment. Els experiments que vam realitzar en aquesta pràctica eren els següents: 1. Dependència de la força de fricció de la superfície de contacte. 2. Dependència de la força de fricció de la velocitat d’arrossegament. 3. Dependència de la força de fricció de la massa del cos. 4. Dependència de la força de fricció dels materials de les superfícies en contacte. 5. Dependència de la força de fricció de la inclinació del carril.

Estudi de la força de fricció

4. Qüestions: 1. Per la primera de les experiències, dibuixa un esquema del sistema que estàs estudiant. Dibuixa els diagrames del cos lliure de la llengüeta, del cos de fricció i del dinamòmetre: Esquema del sistema:

Diagrames de cos lliure: -

Llengüeta:

Estudi de la força de fricció

-

Cos de fricció:

-

Dinamòmetre:

2. Per què és important que la llengüeta avanci a velocitat constant? Tal i com hem explicat en la introducció, es necessari que el sistema avanci a velocitat constant perquè fent referència a la primera llei de newton, ΣF = 0. El que ens permet igualar les forces i obtenir certa facilitat ens el càlculs. D’altra banda si coneguéssim el valor de l’acceleració podríem igualar les forces per la segona llei de Newton,

Estudi de la força de fricció

ΣF=m·a, però a nivell pràctic es més fàcil crear un entorn on el cos es avança a velocitat constant. 3. Amb els valors que has obtingut en l’experiment 1, estableix una llei per la dependència de la força de fricció amb el tamany de la superfície de contacte. F estàtica (N)

F cinètica (N)

Subjecció A

1,15

0,84

Subjecció B

0,88

0,7

En els valors que em obtingut en el experiment podem arribar a la conclusió de que la força de fricció es directament proporcional a la superfície de fricció. En la subjecció A la superfície de contacte amb la llengüeta es major que en la subjecció B. Per tant, segons els resultats obtinguts en l’experiment, concloem que a major superfície de contacte major força de fricció experimentada.

4. Amb els valors que has obtingut en l’experiment 2, estableix una llei per la dependència de la força de fricció amb la velocitat d’arrossegament del cos. F estàtica (N)

F cinètica (N)

Canal major (4 mm/s)

1,1

0,78

Canal mig (2 mm/s)

1,16

0,9

Canal menor (1 mm/s)

1,3

1,02

Segons els resultats obtinguts, la llei que establiríem seria que la força de fricció es inversament proporcional a la velocitat d’arrossegament del cos. És a dir, a major velocitat, menor força de fricció i al contrari.

Estudi de la força de fricció

5. Per tal d’establir una llei per la dependència de la força de fricció amb la massa del cos, comença per representar gràficament els valors, que has obtingut en l’experiment 3, de les dues forces de fricció en funció de la massa del cos. Estableix dues possibles hipòtesis per la llei que governa la dependència de les forces de fricció de la massa del cos.

Força de fricció (N)

Força - Massa 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,1

0,2

0,3

0,4

Massa (Kg) F estàtica

F cinètica

Les hipòtesis a les que arribem després de finalitzar el experiment 3 son: -

La primera i la més evident, és que la força de fricció es directament proporcional al pes del cos, es a dir que si un camió carregat de fruita va circulant per la carretera, i mentre va circulant va perden fruita es a dir va perden massa, la força de fregament amb la carretera disminueix de manera proporcional a la fruita perduda.

-

La segona, és que quan afegim més massa al cos, trencar el llindar on la força de fricció estàtica es converteix en cinètica es cada vegada més elevat, exponencialment. En canvi, l’augment de la força de fricció cinètica es considerablement menor comparat amb la estàtica.

6. Calcula els coeficients de fricció per a cadascun dels materials utilitzats com a superfícies de contacte. Calculem dos tipus de coeficients, el estàtic i el cinètic segon el tipus de material que fricciona amb la llengüeta:

Estudi de la força de fricció

-

GOMA: 0.82

µe =0.116𝑥9.8 = 0.72 µc = -

0.78 0.116𝑥9.8

= 0.69

TEFLÓ: 0.18

µe =0.115𝑥9.8 = 0’16 µc = -

0.14 0.115𝑥9.8

=0’12

ALUMINI: 0.36

µe =0.113𝑥9.8 = 0’33 0.32

µc = 0.113𝑥9.8 = 0’29

7. Dibuixa el diagrama del cos lliure del cos de fricció corresponent a l’experiment 5.

Estudi de la força de fricció

8. Representa gràficament els valors de les forces de fricció en funció de l’angle d’inclinació del carril. Si la dependència que observes no és lineal, pensa quina representació pots fer per tal de tindre-la. Quan la tinguis, fes la regressió lineal.

Força de fricció (N)

F estàtica 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6

y = -0,0576x + 1,4818 R² = 0,679

0,4 0,2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

Inclinació (º)

Força de fricció (N)

La regressió lineal és: R2 = 0,679.

F cinètica 1,4 1,2 1 0,8 0,6 y = -0,0405x + 1,2421 R² = 0,4915

0,4 0,2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

Inclinació (º)

La regressió lineal és: R2 = 0,4915

Estudi de la força de fricció

9. Amb la informació del diagrama de cos lliure, i la que observes en aquest darrer gràfic, replantejat les hipòtesis fetes per la dependència de la fricció de la massa del cos i formula una llei més adequada. Com sabem: Ffricció = N · μ → N = m·g → Ffricció = m·g·μ Però, tal i com es veu representat en el diagrama de cos lliure, quan el cos subjecte a estudi experimenta una inclinació la força N, experimentaria un canvi de valor. N = m·g·cos(α) → α = angle d’inclinació amb el pla vertical. Per tant la llei seria; Ffricció = m·g·cos(α)·μ

5. Anàlisi dels resultats: Tots els resultats exposats en aquesta pràctica es veuen sotmesos a una sèrie d’errors experimentals que es veuen traslladats en els càlculs. Per exemple, en la qüestió 4, com hem demostrat teòricament, el valor de la velocitat no té cap relació amb el valor de la força de fregament, sempre igual sigui una velocitat constant. Però ens trobem en el cas que les mesures preses al laboratori no ratifiquen les teories exposades. Aquest fenomen té lloc en el moment on el cos arriba a la seva força de fricció estàtica límit i es converteix en cinètica, que a l’hora de lliscar sobre la llengüeta experimenta un gir i es queda bloquejat entre les parets del carril. Encara així, hem pogut demostrar la relació entre la força de fricció i la massa, o la força de fricció i l’angle d’inclinació del sistema. Tot de manera bastant acertada.

Estudi de la força de fricció

6. Conclusions: Per acabar, podem concloure que el coeficient de fregament es mol influent a l’hora de voler moure un cos, a més a més podem dir que aquet varia molt quan canvien de materials en els que fa fricciona amb la superfície. Un altre factor determinant per calcular la força de fricció es el angle d’inclinació del carril per on es desplaça el cos, la força de fricció disminuirà de manera proporcional al angle de inclinació, es a dir quan més gran sigui el angle més petita serà la força de fricció. Aquest treball pràctic ens ha aportat una ampliació dels nostres coneixements, no només en quan a la força de fregament, sinó que també a l’hora de treballar en un laboratori, elaborar gràfiques i detectar els errors comesos....