마찰력의 측정

[김동석]

마찰력의 측정                     

▶ 목표 

• 정지해 있던 물체가 움직이기 시작하는 순간의 마찰력(최대 정지 마찰력)을 측정할 수 있다.
  
• 접촉면의 성질이 같으면 마찰력의 크기는 접촉면의 넓이와 관계가 없음을 안다.
  
• 마찰력의 크기는 물체가 접촉면을 수직으로 누르는 힘에 비례함을 안다.
  
• 두 물체 사이의 마찰 계수를 계산할 수 있다.
  

▶ 준비물(6∼8인 1조의 분단별) 

·나무도막(10㎝×20㎝×30㎝) 3개     ·추(500g) 3개   ·용수철 저울 1개   ·실

·아크릴 판이나 고무판, 유리판, 알루미늄 판 등 준비할 수 있는 판자 2개 이상 (50㎝×50㎝정도)

▶ 지도상의 유의점 

• 실험대가 수평이 되도록 한다.
  
• 용수철 저울을 사용하기 전에 영점이 맞은지 확인한다.
  
• 용수철 저울을 잡아당길 때 수평으로 천천히 당기도록 한다.
  
• 실험을 하는 동안 접촉면의 상태가 변하지 않도록 한다. 특히 넓이가 다른 나무 도막의 면의 성질이 다르면 마찰 계수가 다르므로 면에 모조지등을 부착하여 면의 성질이 같게 만든다.
  
• 실험대의 바닥이 고르지 않으면 모조지 전지등을 바닥에 깔고 실험한다.
  
• 용수철 저울의 눈금은 물체가 움직이는 순간의 최대값을 신속, 정확하게 읽도록 주의하며 몇 차례 사전에 연습해 본다.
  
• 나무 도막에 조그만 고리를 박아서 끈을 매어 당기면 나무 도막을 똑바로 당기는 데 편리하다.

▶ 탐구 활동 과정 

1. [그림 1]과 같이 용수철 저울로 물체의 무게를 측정한 다음, 수평한 책상 위에 물체를 올려놓는다.

   

2. 나무 도막을 책상면 위에 놓고 용수철 저울로 수평 방향으로 서서히 끌어당긴다.
   
3. 나무 도막이 미끄러지기 시작할 때의 용수철 저울의 눈금을 읽는다. 이때 저울의 눈금값이 최대 정지 마찰력이다.
   
4. 과정 나), 다)를 3회 반복하여 아래 표에 기록하고 평균값을 구한다.
   
5. [그림 2]와 같이 나무 도막이 책상과 접촉하는 면을 바꾸어 가면서 최대 정지 마찰력을 3회씩 측정한다.
   
6. [그림 3]과 같이 나무 도막 위에 추를 얹어 무게를 달리 하면서 과정 나)∼라)를 반복한다.
   
7. 가로 축을 물체의 무게(수직 항력), 세로 축을 최대 정지 마찰력으로 하여 그래프를 그려보자.
   
8. 

▶ 결과 정리 및 토의 

1. 같은 종류의 물체에 대해 접촉면의 넓이를 다르게 했을 때 최대 정지 마찰력은 접촉면의 넓이와 어떤 관계가 있을까?
   ·접촉면의 넓이와 무관하다.
   
2. 물체의 무게(수직 항력)와 최대 정지 마찰력 사이에는 어떤 관계가 있는가?
   ·비례한다. f∝mg→f=μmg
   
3. 위의 수직 항력과 최대 정지 마찰력의 그래프에서 알 수 있는 사실은 무엇인가?
   ·수직 항력(N)과 마찰력은 비례한다. f∝N→ f=μN
   
4. 실험 결과 물체의 접촉면의 넓이와 마찰력의 크기와의 관계를 어떻게 말할 수 있는가?
   ·접촉면의 성질과 물체의 무게가 같으면 마찰력의 크기는 모두 같다.
   

▶ 평가 자료 

가. 탐구 활동 태도 평가


1. 용수철 저울의 영점이 정확히 맞는가?(A, B, C)
   
2. 용수철 저울을 수평으로 천천히 당기는가?(A, B, C)
   
3. 나무 도막의 넓은 면과 좁은 면의 성질이 같도록 한 후에 최대 정지 마찰력을 측정하는가?(A, B, C)
   

나. 탐구 보고서 평가


1. 수직 항력이 같고 접촉면의 넓이가 다를 때 최대 정지 마찰력의 크기는 같거나 비슷한가?(A, B, C)
   
2. 수직 항력의 크기와 최대 정지 마찰력의 크기가 정확히 비례하는 관계를 나타내고 있는가?(A, B, C)
   
3. 실험 결과 그래프의 해석은 정확한가?(A, B, C)
   

▶ 참고 사항 

1. 나무 도막의 각 면은 결이 달라서 마찰력에 있어서 차이가 발생할 수 있다. 따라서 나무 도막의 각 면을 같은 재질의 종이를 붙여서 성질이 같아지도록 하여야 한다.
2. 나무 도막을 당기는 방법에는 본 실험의 용수철 저울을 이용하는 방법 외에 오른쪽 그림과 같이 도르레와 분동을 사용하기도 한다. 그러나 용수철 저울의 사용법을 정확히 준수한다면 용수철 저울을 사용하는 실험이 더 간편하다.
   
3. 접촉면을 유리판, 아크릴 판 등으로 다르게 하여 최대 정지 마찰력과 마찰 계수를 구하는 실험을 추가로 실시할 수 있다. 또 최대 정지 마찰력보다 운동(미끄럼) 마찰력의 크기가 더 작다. 다음 표는 몇 가지 물체 사이의 최대 정지 마찰 계수와 운동 마찰 계수를 비교한 것이다. 계수의 값은 상태에 따라 약간씩 다를 수 있다.
   

[정지 마찰 계수와 운동 마찰 계수]

접촉하는 물체	정지 마찰 계수	운동 마찰 계수
유리판과 유리판(건조) 유리판과 유리판(기름) 철판과 철판(건조) 철판과 철판(기름) 타이어와 아스팔트(건조) 타이어와 아스팔트(젖었을 때)	0.94 0.35 0.7 0.005∼0.1 - -	0.4 0.09 0.5 0.003∼0.1 0.5∼1.0 0.3∼0.9