학교 내 시설 중 어디에서 넘어지면 가장 아플까?(거칠기와 수직항력에 따른 마찰 계수의 변화)

20813 박예진 김건희 하동재 강선영

<목차>

Ⅰ. 탐구의 동기 및 목적·····························································································1

1. 동기 및 목적 ··········································································································1

Ⅱ. 선행연구···············································································································1

1. 마찰력 ··················································································································1

2. 운동마찰력 ············································································································2

3. 정지마찰력 ············································································································2

4. 수직항력 ···············································································································3

5. 탄성력 ··················································································································3

6. 마찰력 측정 방법····································································································4

Ⅲ. 탐구주제 ·············································································································4

Ⅳ. 탐구방법 ·············································································································4

1. 준비물 ··················································································································4

2. 탐구장소 ···············································································································4

3. 탐구방법 ···············································································································5

Ⅴ. 탐구결과 ··············································································································5

Ⅳ. 결 론 ·················································································································6

Ⅰ. 탐구의 동기 및 목적

1. 동기

우리 학교에는 계단 외에 오르고 내려갈 수 있는 경사면인 ‘램프’가 있다. 그 경사면이 특히 미끄러워 비오는 날에 친구들이 램프를 이용하다가 미끄러지기도 하고 일부 친구들은 램프의 미끄러운 특성을 이용해 장난을 치는 친구들도 있다. 그렇다면 ‘여름철 물놀이 장에서, 겨울철 빙판길에서 더 많이 넘어지는 이유가 무엇일까? 또 어디서 넘어지면 가장 아플까?’라는 질문에 ‘단순히 물, 얼음이 있어서 더 잘 넘어지지’ 라고 대답하기 보다는 일상생활 속에서 당연하다고 생각했던 원리나 이치들을 실험이나 측정을 통해 실생활 속 물리를 찾아보고자 한다.

Ⅱ . 선행연구

1. 마찰력

물체의 운동을 방해하는 힘을 말한다. 한 표면이 다른 표면을 스쳐 갈 때에는 언제나 이 물체에는 서로 표면에 평행한 마찰력이 작용한다. 그러나 상대 운동이 없을 경우에도 두 표면 사이에 마찰력이 작용할 수 있다. 이 마찰력을 정지 마찰력이라고 한다. 마찰이 생기는 원인을 원자나 분자 수준에서 생각해 보면, 눈으로 보기에 아무리 매끄러운 표면이더라도 미시 세계에서 보면 매우 거칠다. 따라서 거친 두 표면이 만나면 상대적으로 움직이는 것을 방해하므로 마찰이 일어난다. 그러나 거친 표면에 의한 마찰 효과는 전체 마찰의 10%에도 미치지 않는다. 연구에 의하면 마찰력을 결정하는 주된 요인은 표면 달라붙기 현상임이 밝혀졌다. 아무리 매끄러운 금속 표면이라도 두 표면이 순간적으로 접착하면 접합점들이 만들어진다. 미끄러지는 동안 이러한 결합들이 계속 만들어지고 잘려 나간다. 마찰은 이러한 접합된 부분이 잘려 나가는 과정에서 생긴다.

2. 운동마찰력 접촉한 상태에서 물체끼리의 상대적 속도가 있을 때 작용하는 마찰력으로, 수평으로 힘을 가하여 물체를 움직이는 경우뿐만 아니라 자동차 바퀴가 미끄러질 때 도로면과 바퀴면에서도 작용하는 운동 마찰력이다. 마찰력은 접촉면의 크기와 무관하다. 운동 마찰력은 수직 항력에 비례한다. Fk=μkN (μk : 운동 마찰 계수, N : 수직 항력)

3. 정지마찰력 최대 정지 마찰력은 접촉면에서의 수직 항력(또는 물체가 바닥을 누르는 힘)에 비례한다. 수평면 위에 있을 때, 비탈면 위에 있을 때 마찰력은 접촉면에 대한 물체의 상대적 속도에 의존한다. 정지 마찰력은 상대적 속도가 없을 때 생긴다. 수평으로 힘을 가할 때 물체가 움직이지 않는다면 당연히 정지 마찰력이 작용하는 것이다. 뿐만 아니라 자동차 바퀴가 굴러갈 때 도로면과 닿는 바퀴면의 상대 속도는 0이므로 당연히 정지 마찰력이다. 정지 마찰력의 크기는 외부에서 가하는 힘의 크기와 같다. 최대 정지 마찰력은 면을 누르는 힘(수직 항력)에 비례한다. 최대 정지 마찰력은 접촉면의 크기에 무관하고 접촉면의 성질에 따라 결정된다. F=μsN (μs : 정지 마찰 계수, N : 수직 항력)

4. 수직항력

책상 위에 두꺼운 책을 놓으면, 그 책에는 중력이 작용한다. 중력 외에 다른 힘이 작용하지 않는다고 하면 책은 책상을 뚫고 중력이 작용하는 방향인 지구 중심으로 내려가야 한다. 하지만 실생활에서 보는 것처럼 그런 일은 일어나지 않는다. 책상이 중력과 똑같은 크기로 책을 떠받치고 있기 때문이다. 지구상에 존재하는 모든 물체는 기본적으로 지표면에 의한 수직항력을 받고 있어서 지구 중심으로 끌려들어가지 않는다. 이렇게 물체가 접촉하고 있는 면이 물체를 수직 윗방향으로 떠받치는 힘을 수직항력이라고 하며, 수직항력은 중력과 작용·반작용의 관계가 아니다. 경사면에 놓여진 물체의 경우 중력의 방향은 경사면의 기울기와 관계없이 지구 중심방향을 향하지만 수직항력의 경우는 면과 수직인 방향으로 작용한다.