소개글
"인천대 물리실험 일정한 힘과 운동 마찰"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험의 목적
1.2. 마찰력의 특성
2. 이론적 배경
2.1. 마찰력의 정의
2.2. 정지 마찰력과 운동 마찰력
2.3. 마찰계수
3. 실험 장치 및 실험 방법
3.1. 실험 장치
3.2. 마찰이 없는 경우의 실험 절차
3.3. 마찰이 있는 경우의 실험 절차
4. 실험 결과
4.1. 마찰이 없는 경우
4.1.1. 역학수레 질량 일정, 추 질량 변화
4.1.2. 추 질량 일정, 역학수레 질량 변화
4.2. 마찰이 있는 경우
4.2.1. 역학수레 질량 일정, 추 질량 변화
4.2.2. 추 질량 일정, 역학수레 질량 변화
5. 결과 분석 및 고찰
5.1. 마찰이 없는 경우
5.2. 마찰이 있는 경우
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험의 목적
실험의 목적은 역학수레, 역학트랙, 추(추와 추걸이)를 이용해 마찰력을 측정하고 마찰력의 원리와 마찰계수를 이해하기 위함이다. 또한 Photogate with pulley를 이용해 매달린 추의 무게로 인해 끌어 당겨지는 수레의 운동을 측정하여 마찰이 없는 경우와 마찰이 있는 경우 사이의 운동 차이를 확인하고, 측정한 결과를 토대로 마찰이 있는 경우의 운동마찰계수를 확인하는 것이다.
마찰력은 물체가 어떤 표면 위를 운동할 때, 주위와의 상호 작용 때문에 물체가 운동하는데 받는 저항력이다. 정지 마찰력은 외력이 작용해도 물체가 움직이지 않을 경우 외력에 맞서서 작용하는 힘이며, 최대 정지 마찰력은 물체가 막 움직이려는 순간의 정지 마찰력이다. 운동 마찰력은 운동하고 있는 물체에 대한 마찰력으로, 외력이 주어질 때 물체가 움직이고 있다면 알짜힘 F-fk가 물체에 가해진다. 마찰계수는 정지 마찰력과 운동 마찰력이 수직항력에 비례하며, 접촉하는 두 면의 거친 정도에 의존함을 알 수 있다.
마찰이 없는 수레의 운동은 a=mg/(M+m)이며, 마찰이 있는 수레의 운동은 ak=(mg-μkMg)/(M+m), fk=μkn=μkMg이다. 마찰을 무시할 수 있는 경우 Fnet=Fm=mg=(M+m)a이며, 마찰을 무시할 수 없는 경우 Fnet=mg+(-Fk)=(M+m)a이다.
실험 장치로는 1.2m Track System, Photogate with pulley, Collision Cart, Elastic Bumper 등을 사용하였다. 마찰이 없는 경우 실험 절차는 지지대에 트랙과 센서를 설치하고, 추를 연결한 수레를 트랙 끝에 두는 것이다. 마찰이 있는 경우에는 수레 밑에 마찰 블록을 올려놓고 동일한 실험을 진행한다.
마찰이 없는 경우 실험 결과, 수레와 추의 질량 변화에 따른 가속도 변화를 확인할 수 있었다. 수레의 질량이 일정할 때 추의 질량이 증가할수록 가속도와 주어진 힘의 크기가 증가하였고, 추의 질량이 일정할 때 수레의 질량이 증가할수록 가속도는 감소하였다. 마찰이 있는 경우 실험 결과, 수레의 질량이 일정할 때 추의 질량 변화에 따른 운동마찰계수가 약 0.27로 유사하게 나왔고, 추의 질량이 일정할 때 수레의 질량 변화에 따른 운동마찰계수는 약 0.26으로 나왔다. 이는 실험에 사용한 마찰면과 수레, 추가 동일했기 때문이다.
결과 분석 및 고찰 시, 마찰이 없는 경우 이론값과 실험값의 오차가 최대 12.9543%로 나타났는데, 이는 측정 과정에서 수평 조정 등의 오류가 발생했기 때문으로 보인다. 마찰이 있는 경우에도 마찰계수 측정 시 오차가 있었는데, 이는 트랙의 정렬이나 충격 등의 요인으로 인해 발생한 것으로 추정된다. 이를 위해 보다 정밀한 수평 측정을 위해 디지털 수평계 사용 등의 방법을 고려해볼 수 있을 것이다.
종합적으로 이번 실험을 통해 마찰력과 마찰계수의 원리를 이해하고, 마찰이 있는 경우와 없는 경우 수레의 운동 차이를 확인할 수 있었다. 실험 결과에서 나타난 오차 요인 분석을 바탕으로 향후 실험 정밀도를 높일 수 있는 방법을 모색할 필요가 있다.
1.2. 마찰력의 특성
마찰력은 두 물체의 표면이 접촉하여 상대적인 운동을 하려고 할 때 생기는 저항력이다. 마찰력에는 정지 마찰력과 운동 마찰력이 있는데, 정지 마찰력은 외력이 작용해도 물체가 움직이지 않을 때 작용하는 힘이며, 운동 마찰력은 물체가 움직일 때 작용하는 힘이다. 정지 마찰력의 최댓값은 운동 마찰력보다 크다.
마찰력은 두 표면 사이의 전기적 상호작용에 의해 발생한다. 즉, 물체의 표면에 있는 원자 및 분자 간 전기적 인력과 반발력이 마찰력의 원인이 된다. 또한 표면의 거칠기에 따라 마찰력의 크기가 달라지는데, 접촉면이 더 거칠수록 마찰력이 크게 나타난다.
마찰력은 접촉면에 수직으로 작용하는 힘, 즉 수직항력에 비례한다. 따라서 수직항력이 증가하면 마찰력도 증가하며, 수직항력이 감소하면 마찰력도 감소한다. 마찰계수는 마찰력과 수직항력의 비로 정의되는데, 이는 접촉면의 특성에 따라 달라진다.
마찰력의 이러한 특성으로 인해 실생활에서 다양한 현상이 설명된다. 예를 들어 운동화 밑창의 마찰력이 큰 이유는 지면과의 접촉면이 거칠기 때문이며, 윤활유를 사용하면 마찰력을 줄일 수 있다. 또한 물체가 정지해 있다가 움직이기 시작할 때 최대 정지 마찰력이 작용하는 것을 이해할 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 마찰력의 정의
마찰력이란 물체가 어떤 표면 위를 운동할 때, 주위와의 상호 작용 때문에 물체가 운동하는...
참고 자료
Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics 10번째 edition - Raymond A. Serway, John W. Jewett
일반물리학실험 (김병훈, 김정우, 김준호, 박승룡, 박영미, 정영록, 최성을, 최수봉, 한강희, 이재훈, 함효식 공저)
인천대학교 학습관리시스템 일반물리학1 주차 일정한 힘과 운동마찰 설명 등의 강의영상 (http://cyber.inu.ac.kr/course/view.php?id=28667)
https://www.youtube.com/results?search_query=%EC%9D%BC%EC%A0%95%ED%95%9C+%ED%9E%98%EA%B3%BC+%EC%9A%B4%EB%8F%99%EB%A7%88%EC%B0%B0 (유투브 일정한 힘과 운동마찰)
