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現在高校1年です。先日物理の実験において、タイトルの通り「最大静止摩擦力」を調べるために木片ブロックをばねばかりを使い引っ張り、ばねばかりの値をグラフにする、という事を行いました。ここで一つ疑問点が生じたのです。それは、木片ブロックを引っ張る時に、引っ張る速度を変えると最大静止摩擦力の値が変わってしまう、という事です。
色々と調べてはみたのですが、原因がわかりません。私の考えでは…引っ張る速度によって力のかかり方に差が生じてそうなるのではないかなと思うのですが、具体的な説明ができません。レポートの期限が迫っているので、早めの返信お願いいたします。

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A 回答 (5件)

そういう実験の仕方なら、原因は、No.3やNo.2さんの言っていることだと思います。

軽く付け加えますね。

短い時間で一気に力を加えるのか、比較的長い時間をかけて徐々に力を大きくしていくのか、その力のかけ方からくる違いです。
手で引っ張るとき、ゆっくり引っ張る場合、徐々に力を加えている(徐々に目盛りが移動する)はずです。逆に、早く引っ張ると、比較的一気に力を加えています(目盛りの変化が早い)。これは、加えている力が変化するのにかかる時間(1秒以下の小さな単位ですが)が、二つの場合で異なってくることを示しています。
例えば、ゆっくり引っ張ると力を加え始め、徐々に大きくしていき、1秒くらいで木片が動いたのに、早く引っ張ると、加え始めから、0.1秒くらいで動いたなど。この場合、0.1秒で0から静止摩擦力以上の力を加えたのですが、目では動き出す瞬間の目盛りは捉えられないと思います。そのため、既に、物体が動き出した後の動摩擦力を読んでることになります。

引っ張る手の加速度の違いに着目すると、この場合、慣性力が関わってきますが、まだ習っていないので答える必要はないかもしれません。
後、加速度といっても、ほんの少し早く引っ張っただけだと、木片の重さも考えて、慣性力の働きは無視できる場合もあるということを知っておいてください。

ちなみに、接触面積は誤りでした。木片の底面積が大きくても、小さくても、木片の質量が同じなら、基本的に同じ、最大静止摩擦力です。
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No.3さんの意見に近いかな?No.2さんの慣性かと思ったんですが、早く動かすと加速するために力がいるので、見かけ上摩擦係数は上がる方向のような気がします。

No.1さんの意見で気になるのは、接触面積の影響ですが、たぶん教科書には「影響はない」と書いてあるので、違うことを主張するならそれなりの根拠を教えてあげないと、質問者さんが混乱してしまうのでは?
疑問に思った点をレポートに書くのは非常に良いことだと思います。必ずしも正解は出せないかもしれないけど、頑張って下さい。
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いまは最大値を読み取ろうとしているわけですが、


変位と荷重をグラフにとると、Δ こんな感じに
なります。
このグラフのピークをとるには計る速さが変位変化に
対して充分速くなければなりません。
(変位変化が早いとピークを見逃すということ)

引っ張る速さと静止摩擦係数の関係をレポートする
必要は無いとおもいますので、教官と相談してみて
ください。
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自信はありませんが私の見解を、


1、木片の慣性モーメントが影響しているという考え、
木片を早く引っ張ると慣性モーメントが大きくなる分、動摩擦は小さくなります。それで静摩擦を計測しているつもりが木片の動き出した後の動摩擦を計測している。
シルクの布の上にワイングラスを乗せて早く引っ張ればワイングラスがほとんど動かないというあれですね。

2、静摩擦ではなく動摩擦を計測している、
1にも関連しますが、人間の視覚で動き出す前というのを認識するには若干の時間のずれがあり、実際は動き出してからの計測になっている。結果、静摩擦ではなく動摩擦を計測していることになります。速度差が少ないとそのずれは少なくてすみますが、速度差が大きいとその分計測結果に影響が出ているのではないでしょうか?

1,2とも同じようなことを言いたいのですが、うまく説明できなかったのであえて分けて書いてみました。私の経験から考えるとそういうことだと思います。
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おそらく、木片を手から離すときに、手によって木片に加えられる力が影響しているのではないでしょうか。




>引っ張る速度を変えると最大静止摩擦力の値が変わってしまう
>引っ張る速度によって力のかかり方に差が生じて

実際に実験を見てみないと何ともいえないのですが、「引っ張る速度」によって力のかかり方に差が生じるというよりは、引っ張った後の手を離す瞬間が重要で、そのとき物体に加わる力が重要です。瞬間というのは、物体を離す寸前の状態と考えてください。(まだ、手の力が加わっている状態です。)
まとめると、手を離す瞬間に、物体に加わる垂直抗力の大きさが問題です。
(ちなみに理想的な実験の仕方は、引っ張った後、物体を地面に対して静止させてから、手を離すやり方です。一度地面に静止させる作業が大事です。)

何度かの測定を思い浮かべて、手を離す寸前の状態を比べてください。以下の二つは全く同じでしたか?
違っていたら、それが原因です。

(1)木片と地面の接触状態
・木片の底面が地面にきちんと接触していなかったりすると最大静止摩擦力は変わります。
⇒接触面積が原因です。接触面積が大きければ、その分物体に働く最大静止摩擦力は大きくなります。
これは教科書にはかかれていないかもしれません。教科書では、物体の大きさを考えていないと思います。

(2)木片を離すとき、木片に地面から浮かせる力を働かせたり(実際に浮いてなくても地面の垂直方向の上向きの力を加えていたり)、地面に押し付けたりしていなかったか。
・きちんと接触していても、手で木片を多少浮かせる力を働かせたり、木片も地面に押さえつけたりすると、最大静止摩擦力が変わります。
⇒物体に働く垂直抗力が変わるので、公式より、最大静止摩擦力は変わります。

ちなみに、大学で物理学を学んでいます。
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この回答へのお礼

専門の方ですか!こんな時間に回答どうもありがとうございます。大変助かります。

>おそらく、木片を手から離すときに、手によって木片に加えられる力が影響しているのではないでしょうか。

実験の方法を詳しく説明していなくてすいません。手順を示しますと、
(1)木片を摩擦用板の上に置く。(摩擦用板は地面?と水平にする)
(2)木片にばねばかりのフックのような所を引っ掛け、ばねばかりを水平にする。
(3)そのままばねばかりを引っ張り、木片が動きだす直前のばねばかりの数値を記録する。

というものです。なので木片には手をふれていません。。

もう一度説明しますと、(3)の時に、慎重に水平な状態を保って引っ張った場合と水平ではあっても少しスピードをつけてやった場合とでは、スピードをつけた場合の方が値が小さくなっていました。

お礼日時:2006/06/30 03:37

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Q摩擦力の測定について

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2.ばねを使う理由は?
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ホントに基本的な質問で申し訳ありません。どうぞお手柔らかにお願いします。

Aベストアンサー

力を測定する機械というのがどういうものかが分かりませんので推測で書きます。

摩擦力には2つの種類があります。
この実験でやろうとしているのは運動摩擦力の方ですね。
「一定の速度で滑らせる」としていますが実現はかなり難しそうですね。この条件が実現しているとします。
等速度運動→加速度=0→力は釣り合っている→バネにかかっている力=運動摩擦力=機械にかかる力
になります。バネは特に必要ありません。バネは伸びで視覚的に力の大きさが分かるようになっているものです。速度一定というのは伸びが一定というのとは別の判定基準ですからバネは無駄になります。
機械の方に巻き取り装置のようなものがついていて力の大きさが目盛りで表示されるのであればバネは必要ありません。
でも等速度が実現しているというのはどこで確認されるのでしょうか。これは疑問です。
もうひとつ疑問があります。
机の上に物体を置いて機械で引いたとします。静止最大摩擦以上の力を加えないと動きません。一旦動いた後は運動摩擦力に変わります。運動摩擦力は静止摩擦力よりも小さいですから動いたときの力を加え続けていると加速度が生じます。力を運動摩擦力の大きさになるまで減らさないと等速度運動は実現しないのです。こういう調整は実際上無理だと思います。

静止摩擦力の場合は釣り合いが破れる瞬間の力を測定すればいいのでまだやりやすいです。運動摩擦力の測定は運動の中でしか出来ませんから難しいです。特に力のかけ方です。

一定の力のかかった運動を実現するのは重力を使うほうやさしいです。斜面で物体を滑らせて最下端での速度、または最下端までの時間を測定します。摩擦がないとしたときの値との差が摩擦力の影響を表していますから運動摩擦力の大きさが求められます。
(斜面でなくても構いません。どういう運動をするかが分かっていればいいのです。水平な机の上にある物体に別の物体を紐でつけ、滑車を使って落下運動をさせてもいいです。)

力学の問題では摩擦はないものとするという条件がついているものが多いです。「実際は摩擦があるのに摩擦はないとしている」と疑問を感じる人も多いです。授業では「摩擦力の大きさが知りたければ摩擦のないときの運動が分かっていないといけない、摩擦がないとしたときからどれくらいずれるかで摩擦力が分かるのだ」と言ってきました。

力を測定する機械というのがどういうものかが分かりませんので推測で書きます。

摩擦力には2つの種類があります。
この実験でやろうとしているのは運動摩擦力の方ですね。
「一定の速度で滑らせる」としていますが実現はかなり難しそうですね。この条件が実現しているとします。
等速度運動→加速度=0→力は釣り合っている→バネにかかっている力=運動摩擦力=機械にかかる力
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Q摩擦力についての疑問。

ふと疑問に思うことがあります。摩擦力が役立ってる例と邪魔になってる例って何だと思いますか?

Aベストアンサー

#5,6です。
考え方の練習だと思いますのでしつこく書きます。

ブレーキだとします。でもこれもものを表す単語だけですね。自転車のブレーキを知っていると思います。ブレーキは摩擦を使って自転車の動きを止めるのに使います。でもどうやってブレーキを使うんでしょうか。レバーを握るとワイヤーが引かれます。これをブレーキのパッドを車輪の回転部分に押し付け留力に変えます。途中にまだいくつかの金具が入っています。全て動きます。ブレーキレバーやワイヤーや金具がさびていたらうまく使えないでしょう。繰り返し使うことが出来るためには元の状態に戻ってくれないといけません。これもさびていたら駄目です。ブレーキパッドに油が付いてはいけませんが他の部分には油が必要です。
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#5,6です。
考え方の練習だと思いますのでしつこく書きます。

ブレーキだとします。でもこれもものを表す単語だけですね。自転車のブレーキを知っていると思います。ブレーキは摩擦を使って自転車の動きを止めるのに使います。でもどうやってブレーキを使うんでしょうか。レバーを握るとワイヤーが引かれます。これをブレーキのパッドを車輪の回転部分に押し付け留力に変えます。途中にまだいくつかの金具が入っています。全て動きます。ブレーキレバーやワイヤーや金具がさびていたらうまく使えないでし...続きを読む

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Aベストアンサー

垂直抗力は面に垂直に働く力です。
物体が面に接触して存在していれば必ず働いています。
物体に重力しか働いていなければどんどん落下し続けるはずだからです。
この力は物体に働いているいくつかの力の中の一つです。
物体が静止していれば働いている力をすべて合わせたもの(合力)がゼロです。
これは釣り合いです。作用・反作用ではありません。

他にどういう力が働いているかによってどのようにでも変化します。
物体のおかれている条件によっても変わります。
斜面に置かれていれば水平な床の上に置かれている場合とは変わってきます。
運動状態によっても変わります。

物体が水平な床の上にあって重力以外の力が働いていない時には垂直抗力の大きさは重力に等しいです。
この物体にひもをつけて上向きに力を加えたとします。
ある力のところで床から離れますがそれまでは垂直抗力が存在します。
垂直抗力とひもに加えた力の和が重力に等しいという関係です。
これも釣り合いから出てくることです。

床の上に置いてある台秤の上に物体を置いた時に、秤から物体に働く力は
床の上に物体を置いた時に、床から物体に働く垂直抗力と同じです。
その力によって物体が釣り合っているのですから同じです。
台秤からの抗力は台秤の中のばねの変形によって出てきます。
床からの抗力は床の変形によって出てきます。
床が少したわむのです。

垂直抗力の大きさは秤の目盛を見れば分かります。
物体を載せた台秤をエレベータに持ち込んで目盛の値がどのように変わるかを見てください。
エレベータの動きによっては物体の目方よりも大きくなる時も小さくなる時もあるはずです。

垂直抗力は面に垂直に働く力です。
物体が面に接触して存在していれば必ず働いています。
物体に重力しか働いていなければどんどん落下し続けるはずだからです。
この力は物体に働いているいくつかの力の中の一つです。
物体が静止していれば働いている力をすべて合わせたもの(合力)がゼロです。
これは釣り合いです。作用・反作用ではありません。

他にどういう力が働いているかによってどのようにでも変化します。
物体のおかれている条件によっても変わります。
斜面に置かれていれば水平な床の上に置かれて...続きを読む


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