Lab 122 — สัมประสิทธิ์ความเสียดทาน: ถังถ่วงกรวดและการเอียงกระดาน (3D)

วัตถุประสงค์

• วัดแรงเสียดทานจลน์ระหว่างผิวสัมผัส จากน้ำหนักที่ทำให้บล็อกไถลด้วยความเร็วคงตัว
• หาสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจาก C = F_f/F_N และเทียบกับค่าจากมุมเอียง C = tan A
• ทดสอบว่าแรงเสียดทานขึ้นกับแรงตั้งฉาก ชนิดผิว และพื้นที่สัมผัสอย่างไร

อุปกรณ์

• โต๊ะระดับ · กระดานยาว 1 m · บล็อกไม้ · ชุดน้ำหนักวางเพิ่ม
• รอกพร้อมที่หนีบ · เชือกเบา · ถังเล็กน้ำหนักเบา · กรวด (ทรายหรือลูกปรายก็ได้)
• เครื่องชั่งสปริงอ่านเป็นนิวตัน · ครึ่งวงกลมวัดมุม · กระดาษกราฟ

ตอนที่ 1: ถังถ่วงกรวด

1. เลือกวัตถุและพื้นบนภาพ 3D เลือกน้ำหนักบนบล็อก เติมกรวดทีละน้อย แล้วกด 👉 ผลักบล็อกเบา ๆ
2. ดูจุดแฟลชบนแถบข้างกระดานและกราฟความเร็ว–เวลา ถ้าความเร็วเพิ่มให้ลดกรวด ถ้าความเร็วลดหรือบล็อกหยุดให้เติมกรวด
3. เมื่อความเร็วเกือบคงตัว กด ⚖ ชั่งถัง + กรวด ได้ F_f และกด ⚖ ชั่งบล็อก ได้ F_N
4. กด 📝 บันทึกผล แล้วเปลี่ยนน้ำหนักบนบล็อกอย่างน้อย 4 ค่า

ตอนที่ 2: เอียงกระดาน

1. กด 📐 เอียงกระดาน ระบบปลดเชือกและถังออก
2. ลากกระดานในภาพ 3D ขึ้น-ลงด้วยเมาส์หรือนิ้ว หรือใช้ตัวปรับมุมบนภาพ แล้วกดผลักบล็อกเบา ๆ จนบล็อกไถลลงด้วยความเร็วคงตัว
3. ถ้ายกจนบล็อกไถลเอง จะเห็นมุมที่แรงเสียดทานสถิตต้านไม่ไหว ให้ลดมุมลงแล้วผลักเพื่อหามุมที่ไถลคงตัว
4. อ่านมุม A วาดสามเหลี่ยมมุมฉากฐาน 10 cm แล้วคำนวณ C = ด้านตรงข้าม/ฐาน จากนั้นกด 📝 บันทึกผล

ข้อควรระวังเมื่อทำจริง

• ถังต้องเบา ถ้าบล็อกไหลก่อนเติมกรวด ให้เปลี่ยนเป็นถังที่เบากว่า
• เชือกต้องเบาและแข็งแรง และต้องจัดรอกให้เชือกระหว่างบล็อกกับรอกอยู่ในแนวระดับ

คำถามท้ายการทดลอง

1. ถ้าวางบล็อกด้านแคบ แรงเสียดทานจะเปลี่ยนหรือไม่ ลองกด ด้านแคบ แล้วเทียบผล ในการทดลองจริงผลต่างเล็กน้อยอาจมาจากผิวด้านข้างที่ไม่เรียบเท่ากัน
2. ถ้าเชือกไม่อยู่ในแนวระดับ แรงที่ดึงบล็อกไปข้างหน้าและแรงตั้งฉากจะเปลี่ยนอย่างไร
3. ทำไมอัตราส่วนด้านของสามเหลี่ยมจึงเท่ากับอัตราส่วน F_f/F_N
4. ทำไมต้องผลักบล็อกเบา ๆ ก่อนทุกครั้ง
5. เพราะเหตุใดค่าที่วัดได้มักไม่ตรงกับตารางในหนังสืออ้างอิง

1. บล็อกบนพื้นราบ

เมื่อบล็อกไถลด้วยความเร็วคงตัว แรงลัพธ์เป็นศูนย์ แรงดึงเชือกจึงเท่ากับแรงเสียดทานจลน์ และถ้าไม่คิดมวลเชือกกับความเสียดทานของรอก แรงดึงเชือกเท่ากับน้ำหนักถังรวมกรวด ส่วนแรงตั้งฉากเท่ากับน้ำหนักบล็อก

2. บล็อกบนพื้นเอียง

น้ำหนัก W แยกเป็นแรงตามแนวพื้นเอียง W sin A และแรงกดตั้งฉากกับพื้น W cos A เมื่อบล็อกไถลลงด้วยความเร็วคงตัว แรงเสียดทานเท่ากับ W sin A และแรงตั้งฉากเท่ากับ W cos A น้ำหนักจึงตัดกันหมด ค่าที่ได้ไม่ขึ้นกับมวลบล็อก

สามเหลี่ยมของแรงคล้ายกับสามเหลี่ยมของพื้นเอียง อัตราส่วนด้านตรงข้ามต่อฐานจึงเท่ากับอัตราส่วนแรงทั้งสอง

3. แรงเสียดทานสถิตกับจลน์

ขณะบล็อกยังนิ่ง แรงเสียดทานสถิตมีค่าได้สูงสุด μ_sF_N ซึ่งมากกว่าแรงเสียดทานจลน์ ถ้าใช้แรงเท่ากับแรงเสียดทานจลน์พอดี บล็อกจะไม่เริ่มเคลื่อนเอง จึงต้องผลักเบา ๆ ให้เริ่มไถลก่อน · ถ้ายกกระดานช้า ๆ จนบล็อกเริ่มไถลเองที่มุม A_s จะได้ μ_s = tan A_s ซึ่งมากกว่า tan A ของการไถลคงตัว