대학물리실험 - 마찰력과 마찰 계수

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7. 결과 및 토의

1) 실험 1과 관련하여 다음 물음에 답하시오.

     (1)  마찰력-마찰력-수직 항력 그래프에서 기울기의 물리적인 의미는 무엇인가? 그리고 y절편은 왜 0이어야 하는가?

         -> 이론에서 살펴보았듯이 f = u * n 이기 때문에 기울기에 해당하는 df / dn은 u, 마찰계수가 된다. 또한, 수직 항력이 0인 상황은 물체끼리 접촉하지 않은 상황이므로, 마찰력이 작용하지 않기 때문에 0이다. 따라서 위의 그래프는 원점을 지나고, y절편은 0이다.

     (2) 속력은 운동 마찰력에 영향을 주는가? 영향을 주거나 주지 않으면 그 이유는?

         -> 주지 않는다. 운동 속력도 마찰력과 함께 측정했는데, 측정할 때 일정한 속력으로 카트를 당겼다. 하지만 측정되는 운동 마찰력은 불안정한 값을 보였고, 오직 수직 항력에 대해서만 유의미하게 달라졌다. [2]

     (3) 이번 시간 표면 3가지의 마찰 계수의 크기를 비교하면? (부등호를 사용하여) 그리고 마찰 계수가 큰 표면과 작은 표면 사이에는 어떤 물리적인 차이가 있는가?

         -> 코르크 > 펠트 > 플라스틱 , 같은 수직 항력을 작용해도 마찰 계수가 클수록 일반적으로 더 큰 마찰력이 작용한다. 또한 마찰 계수가 클수록 정지 마찰력과 운동 마찰력이 큰 차이를 보였다.

 

 2) 실험 2의 결과를 통해 마찰력은 접촉면의 넓이가 변하더라도 거의 같다는 것을 직접 확인할 수 있다.

     그 이유는 접촉면적이 넓어진 만큼 수직 항력도 분산되었기 때문이다. [3] 다만 이는 일반적인 경우이고, 영향을 받는 경우도 충분히 찾아볼 수 있다고 한다. (마찰계수가 작을수록 면적의 영향을 더 받는다고 한다.)

 

 3) 이번 마찰력 실험에서의 중요한 핵심은

     (1) (주관적으로 봤을 때 중요하게 초점을 두어 진행해야 하는 부분은) 최대한 속력을 일정히 하면서 마찰 차를 끄는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 속력을 일정히 한다고 해서 마찰력이 일정하게 측정되지 않기 때문이다. 현대의 기술력으로도 마찰력이 존재하는 이유를 명확히 알지 못한다. 제일 설득력 있는 가설은 아무리 말끔한 표면이라도 분자 수준의 울퉁불퉁함이 존재해서 마찰력이 존재한다는 식이다. [4] 따라서 트랙의 상황에 따라서 마찰력이 얼마든지 달라질 수 있고, 이는 정상적인 현상임을 이해하는 것이 유익하다고 생각한다.

     (2) (이번 실험 과정에서 중요하다고 판단되는 부분은) 접촉 면적을 달리해서 마찰력을 측정하는 부분이다. 그렇게 생각한 이유는 거의 동일한 조건 아래서 실험을 해야 비교를 할 수 있기 때문이다. 마찰차를 끄는 속력, 타이밍 등이 맞아야 해서 측정하기 어려운 데이터지만 동시에 중요한 데이터이기 때문에 이 부분에 초점을 맞추는 것이 중요하다. 

     (3) (이번 실험에서의 중요한 핵심이나 key point는) 접촉면적이 늘어난다고 해서 마찰력이 많이 늘어나지는 않는다는 사실을 그래프로 확인하는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 경험적으로 얻는 지식과는 상반될 수 있기 때문이다. 만약 접촉 면적보다 수직 항력이 더 직접적인 영향을 주는 것을 안다면 마찰력을 늘이거나 줄일 때 더 효과적인 방법을 택할 수 있다.

     (4) (이번 실험 주제를 실생활이나 산업 현장에서 활용할 수 있는 방안은) 마찰력이 실제 움직임에 어떻게 적용되는지 아는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 물리 엔진을 만들 때, 마찰력은 언제나 고려대상이기 때문이다. 이때, 정지 마찰력과 운동 마찰력이 물체가 움직임에 따라서 어떤 양상으로 적용되는지 알면 가상현실에서도 마찰력의 작용 방식을 실험해볼 수 있다. [5]

 

8. 참고 문헌

 

1) 김병배 외 5명, 대학 물리실험(북스힐, 2020) P.62~63, P.68~69

-> 실험 목적, 방법, 원리, 실험값 계산의 과정 등을 참조하였음.

 

2) 운동 마찰력과 속도 사이의 관계를 파악하는데 참고함.

physicstutor.kr/1645

운동마찰력 - 수험생 물리

3) 마찰력과

www.dummies.com/education/science/physics/how-surface-area-affects-the-force-of-friction/

How Surface Area Affects the Force of Friction - dummies

4) 마찰력이 어째서 생기는지 이해하기 위해서 참고함.

www.youtube.com/watch?v=x_24FBNa788

5) 마찰력을 어떻게 물리엔진에 적용하는지 참고하였음.

gamedevelopment.tutsplus.com/tutorials/how-to-create-a-custom-2d-physics-engine-friction-scene-and-jum p-table--gamedev-7756

How to Create a Custom 2D Physics Engine: Friction, Scene and Jump Table