Friksjon på skråplan

HMSFramgangsmåteTeoriSensorspørsmål

Hever du et skråplan langsomt, ligger klossen i ro – helt til en bestemt vinkel der den plutselig begynner å skli. Akkurat den vinkelen røper friksjonskoeffisienten mellom kloss og underlag.

Hensikt

Bestemme friksjonskoeffisienten mellom en kloss og et underlag ved å finne vinkelen der klossen så vidt begynner å skli.

Hypotese

Klossen begynner å skli ved en bestemt vinkel. Friksjonskoeffisienten er lik tangens til denne vinkelen og er uavhengig av massen.

Friksjon på skråplan og friksjonskoeffisient forklart enkelt

Mange elever søker etter friksjon på skråplan Fysikk 1, friksjonskoeffisient forsøk, μ = tanθ, normalkraft og friksjonskraft, frilegemediagram skråplan og friksjon labrapport. Her er teorien, framgangsmåten, målingene, feilkildene og sensorspørsmålene samlet på én side, slik at du kan bestemme friksjonskoeffisienten riktig og forklare kreftene trygt.

Forsøket hører til kraftdelen av Fysikk 1 og er en fin øvelse i å dele en kraft i komponenter. Når du hever planet langsomt, ligger klossen i ro helt til en bestemt vinkel der den så vidt begynner å skli. Akkurat den skli-vinkelen røper friksjonskoeffisienten, fordi μ = tanθ i øyeblikket klossen slipper. Et godt frilegemediagram er nøkkelen til å forklare hvorfor.

Dette søker elever ofte hjelp til

Vanlige spørsmål før forsøket

• Hvordan utleder jeg μ = tanθ fra kreftene på klossen?
• Hvorfor er skli-vinkelen uavhengig av massen?
• Hvorfor er normalkraften N = mg·cosθ og ikke mg på skråplanet?
• Hva er forskjellen på hvilefriksjon og glidefriksjon?
• Hvorfor har friksjonskoeffisienten ingen enhet?

Disse spørsmålene møter du både i rapporten og på muntlig. Bruk begrepene tyngde, normalkraft, friksjonskraft, friksjonskoeffisient, hvilefriksjon og glidefriksjon presist, så viser du at du forstår kreftene bak målingen.

HMS og sikkerhet

Før du starter

• Pass på at klossen ikke sklir av og treffer noen.
• Hold skråplanet støtt mens du hever det.
• Bruk moderate masser og høyder.

Utstyr du trenger

• Skråplan (bord/planke som kan heves)
• Kloss med kjent masse
• Gradskive / vinkelmåler
• Ekstra lodd til å variere massen
• Evt. fjærvekt (alternativ metode)
• Linjal
• Skjema for resultater

Framgangsmåte – steg for steg

Framgangsmåten: legg klossen på planet, hev den ene enden jevnt til klossen så vidt begynner å skli, les av skli-vinkelen θ, og regn ut friksjonskoeffisienten μ = tanθ for ulike masser og underlag.

1. Legg klossen på det vannrette planet.
2. Hev den ene enden langsomt så vinkelen θ øker jevnt.
3. Følg nøye med og noter vinkelen i det øyeblikket klossen så vidt begynner å skli.
4. Gjenta målingen flere ganger og bruk gjennomsnittet.
5. Regn ut friksjonskoeffisienten μ = tanθ.
6. Legg ekstra lodd på klossen (større masse) og gjenta.
7. Undersøk om vinkelen (og dermed μ) endrer seg med massen.
8. Bytt underlag/kloss og sammenlign friksjonskoeffisientene.

Observasjoner og resultater

Frilegemediagram: tyngde, normalkraft og friksjon; μ = tanθ.

Klossen ligger i ro til en bestemt vinkel, så sklir den. Du finner at:

• Skli-vinkelen er omtrent den samme uansett massen til klossen.
• Ulike materialer gir ulik skli-vinkel (ulik friksjon).
• Ru underlag gir større vinkel (mer friksjon) enn glatt.

Underlag	Skli-vinkel θ	μ = tanθ
Tre på tre	~28°	~0,53
Tre på glatt plast	~17°	~0,31

Friksjonskoeffisienten er uavhengig av massen – tyngre kloss sklir ved omtrent samme vinkel.

Teorien bak

Når en kloss ligger på et skråplan, virker tre krefter: tyngden (G = mg) rett ned, normalkraften (N) vinkelrett ut fra planet, og friksjonskraften (R) langs planet som motvirker bevegelse.

Deler vi tyngden opp langs og vinkelrett på planet, blir komponenten som drar klossen nedover mg·sinθ, og normalkraften N = mg·cosθ. Klossen ligger i ro så lenge friksjonen er stor nok til å holde igjen.

Akkurat når klossen begynner å skli, er friksjonskraften på sitt største: R = μ·N. Da er:

mg·sinθ = μ·mg·cosθ

Massen kanselleres, og vi får den enkle sammenhengen:

μ = tanθ

Derfor er skli-vinkelen uavhengig av massen, og friksjonskoeffisienten μ avhenger bare av de to materialene i kontakt. μ er et tall uten enhet.

Typiske problemstillinger sensor stiller

Hvilke krefter virker på klossen på skråplanet?

Tyngden (mg) rett ned, normalkraften (N) vinkelrett ut fra planet, og friksjonskraften (R) langs planet som motvirker at klossen sklir.

Hvordan finner du friksjonskoeffisienten av forsøket?

Du finner vinkelen θ der klossen så vidt begynner å skli. Da er μ = tanθ, fordi mg·sinθ = μ·mg·cosθ i det øyeblikket.

Hvorfor er skli-vinkelen uavhengig av massen?

Fordi massen kanselleres i likningen mg·sinθ = μ·mg·cosθ, som gir μ = tanθ. Både den drivende kraften og friksjonen er proporsjonale med massen.

Hva er normalkraften, og hvordan avhenger den av vinkelen?

Normalkraften er underlagets kraft vinkelrett ut på klossen. På et skråplan er N = mg·cosθ, så den blir mindre når vinkelen øker.

Hva er forskjellen på hvilefriksjon og glidefriksjon?

Hvilefriksjon holder klossen i ro og kan variere opp til en maksverdi. Glidefriksjon virker når klossen sklir og er som regel litt mindre. Forsøket måler grensa for hvilefriksjon.

Hva sier friksjonskoeffisienten μ noe om?

Hvor «ru» kontakten mellom de to materialene er. Den er et tall uten enhet; stor μ betyr mye friksjon, liten μ betyr glatt. Den avhenger bare av materialene.

Hvorfor avhenger ikke friksjonskraften av kontaktflatens areal?

Fordi friksjonskraften er R = μ·N, og normalkraften er den samme uansett hvordan vekta fordeler seg. Større areal gir lavere trykk, men samlet friksjon er uendret.

Hvordan ville et frilegemediagram for klossen se ut?

Tre piler fra klossen: tyngden mg rett ned, normalkraften N vinkelrett ut fra planet, og friksjonskraften R oppover langs planet. Ved likevekt balanserer de hverandre.

Sensortips – slik imponerer du

Slik får du toppkarakter

• Tegn frilegemediagrammet og del tyngden i komponenter.
• Vis utledningen mg·sinθ = μ·mg·cosθ → μ = tanθ.
• Forklar hvorfor massen kanselleres.
• Skill hvilefriksjon fra glidefriksjon.

Slik vurderer sensor

Det som gir karakter 6

• Du tegner et korrekt frilegemediagram.
• Du utleder μ = tanθ og bruker det.
• Du forklarer hvorfor massen ikke påvirker vinkelen.
• Du vurderer feilkilder i vinkelmålingen.

Typiske elevfeil å unngå

Vanlige feil

• Tror tyngre kloss sklir ved mindre vinkel.
• Glemmer å dele tyngden i komponenter langs/vinkelrett på planet.
• Bruker N = mg i stedet for N = mg·cosθ på skråplanet.
• Blander hvile- og glidefriksjon.

Feilkilder

• Vanskelig å se det nøyaktige øyeblikket klossen sklir.
• Ujevnt eller skittent underlag.
• Vinkelen heves rykkvis i stedet for jevnt.
• Unøyaktig vinkelavlesning.

Variasjoner av forsøket

• Bruk en fjærvekt på vannrett underlag og finn μ = R/N direkte.
• Sammenlign flere materialkombinasjoner.
• Undersøk om kontaktarealet påvirker (det skal ikke).
• Mål glidefriksjon ved å la klossen skli med konstant fart.

Sentrale begreper

• Friksjonskraft (R) – kraft langs flaten som motvirker bevegelse, R = μN.
• Normalkraft (N) – underlagets kraft vinkelrett på flaten; N = mg·cosθ på skråplan.
• Friksjonskoeffisient (μ) – tall uten enhet for ruhet mellom to materialer; μ = tanθ ved skli.
• Hvilefriksjon – friksjon som holder et legeme i ro, opp til en maksverdi.
• Glidefriksjon – friksjon når legemet sklir; oftest litt mindre enn hvilefriksjon.
• Frilegemediagram – tegning av alle kreftene som virker på et legeme.

Kompetansemål forsøket dekker

• Gjøre rede for krefter og bruke Newtons lover på skråplan.
• Tegne frilegemediagram og dele krefter i komponenter.
• Planlegge og gjennomføre forsøk og vurdere usikkerhet.

Ofte stilte spørsmål

Hvorfor sklir klossen plutselig og ikke gradvis?

Fordi hvilefriksjonen øker med vinkelen helt til den når sin maksverdi μN. Når den drivende kraften (mg·sinθ) overstiger maks, gir friksjonen etter og klossen begynner å skli brått.

Avhenger friksjonen av hvor tung klossen er?

Friksjonskraften øker med vekten (R = μN, og N øker med massen), men friksjonskoeffisienten μ og skli-vinkelen gjør det ikke. Derfor sklir tunge og lette klosser ved samme vinkel.

Hvorfor har friksjonskoeffisienten ingen enhet?

Fordi den er forholdet mellom to krefter (R/N). Når du deler en kraft på en kraft, kanselleres enhetene, så μ blir et rent tall.

Hva er forskjellen på μ for hvile og for gliding?

Hvilefriksjonskoeffisienten er som regel litt større enn glidefriksjonskoeffisienten. Derfor skal det litt mer til for å sette noe i bevegelse enn for å holde det i bevegelse.

Dypere forklaring: kraftkomponenter og hvorfor massen kanselleres

På et skråplan deler vi tyngden G = mg i to komponenter: én langs planet, mg·sinθ, som drar klossen nedover, og én vinkelrett på planet, mg·cosθ, som presser klossen mot underlaget. Normalkraften balanserer den siste, så N = mg·cosθ. Det er grunnen til at normalkraften blir mindre når vinkelen øker – en vanlig elevfeil er å sette N = mg også på skråplanet.

Klossen ligger i ro så lenge hvilefriksjonen klarer å holde igjen. Hvilefriksjonen vokser med vinkelen opp til en maksverdi R = μ·N. Akkurat når klossen begynner å skli, er den drivende kraften lik denne maksverdien: mg·sinθ = μ·mg·cosθ. Massen står i begge ledd og kanselleres, og vi står igjen med μ = tanθ. Derfor er skli-vinkelen uavhengig av massen, og tunge og lette klosser sklir ved omtrent samme vinkel – både den drivende kraften og friksjonen øker proporsjonalt med massen. Friksjonskoeffisienten er et forholdstall mellom to krefter (R/N) og har derfor ingen enhet; den avhenger bare av de to materialene i kontakt, ikke av kontaktarealet. Vil du måle glidefriksjon i stedet, lar du klossen skli med konstant fart – da er glidefriksjonskoeffisienten som regel litt mindre enn hvilefriksjonens.

Flere vanlige spørsmål om friksjon på skråplan

Hvordan finner jeg friksjonskoeffisienten fra forsøket?

Finn vinkelen θ der klossen så vidt begynner å skli, og bruk μ = tanθ. Den følger av at mg·sinθ = μ·mg·cosθ i det øyeblikket. Mål flere ganger og bruk gjennomsnittet.

Hvorfor sklir klossen plutselig og ikke gradvis?

Hvilefriksjonen øker med vinkelen helt til maksverdien μN. Når den drivende kraften mg·sinθ overstiger maks, gir friksjonen brått etter, og klossen setter i gang.

Avhenger friksjonen av hvor tung klossen er?

Selve friksjonskraften øker med vekten (R = μN, og N øker med massen), men friksjonskoeffisienten μ og skli-vinkelen gjør det ikke. Derfor sklir tunge og lette klosser ved samme vinkel.

Hvorfor avhenger ikke friksjonen av kontaktarealet?

Friksjonskraften er R = μN. Større areal gir lavere trykk, men samme normalkraft, så den samlede friksjonen er uendret.

Hvorfor har friksjonskoeffisienten ingen enhet?

Fordi den er forholdet mellom to krefter (R/N). Når du deler newton på newton, kanselleres enhetene, og μ blir et rent tall.

Hva er forskjellen på hvile- og glidefriksjon?

Hvilefriksjon holder klossen i ro og kan variere opp til en maksverdi. Glidefriksjon virker når klossen sklir og er som regel litt mindre. Forsøket måler grensa for hvilefriksjon.

Klar for muntlig-praktisk?

Øv på flere Fysikk 1-forsøk og eksamensoppgaver med fasit.

Gå til Fysikk 1

Relaterte sider

Friksjon med kraftmålerFriksjonsarbeidNewtons andre lovFysikk 1Alle Fysikk 1-forsøkEksamensoppgaver med fasit