摩擦力を調べる時の実験での疑問点なのですが…。m(__)m

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。

No.5 ベストアンサー 回答者： fiigo 回答日時： 2006/07/01 01:11

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。

No.4 回答者： am3141592 回答日時： 2006/06/30 19:27

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。

No.3 回答者： otto0001otto 回答日時： 2006/06/30 09:13

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。

No.2 回答者： hengtop 回答日時： 2006/06/30 07:29

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。

No.1 回答者： fiigo 回答日時： 2006/06/30 02:26

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。

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