物理・力学/原理と探求
斜面と摩擦の解説
斜面を少しずつ傾けても物体がすぐに滑らないのはなぜでしょうか？下に引っ張る重力の成分とこれを持ち上げる静止摩擦力を比較する実験です。動き始める境界と動きの後の加速度を区別し、静止摩擦と運動摩擦の違いを見てください。
どのような原理？
静止状態の臨界角は質量とは無関係です。境界を越えたら運動摩擦係数で加速度を求めます。
重要な関係
tanθc = μs · a = g(sinθ − μk cosθ)
観察してみよう
- 傾斜角を変えてブロックと力矢印を観察します。毎回停止状態にしておきます。
- 摩擦係数をμs = 0.40、μk = 0.25に固定します。 15°、22°、30°の状態と加速度を記録します。
- 30°から質量のみ1kgと5kgに変えて記録します。加速度と摩擦力を一緒に比較します。
結果を読み解く
静止物体が滑る直前の境界条件は？
mg sinθ = μs mg cosθなので、tanθ = μsです。境界を越えると滑ります。
モデルの仮定と限界
正確にtanθ=μsの瞬間は限界停止状態にしておきます。これを少し超えると滑ります。空気抵抗と回転、表面変化は無視します。下方向に最大4mまたは3sまで観察し、停止状態は2s観察します。