동역학 경사낙하 실험장치[Inclination Free Experiment]에 관한 실험

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동역학 경사낙하 실험장치[Inclination Free Experiment]에 관한 실험
경사낙하 실험장치 (Inclination Free Experiment)

1. 실험목적
경사낙하시험의 목적은 경사진 면에 마찰계수가 서로 다른 시편이 미끄러지면서 계측된 속도와 가속도를 통해 표면 마찰력과 마찰계수를 알기 위함에 있다.

2. 이론
속도 계측은 등 간격(△S)으로 떨어진 포토센서로부터 얻어지는 신호를 이용하여 센서간의 시간을 얻어 계산에 의해 속도와 가속도를 계산한다.

(1.1)

타이밍 신호가 그림1.1과 같을 때 속도, 가속도 식은 다음과 같다.

그림 1.1 시간에 대한 전압의 변화

서로서로 미끄러지는 건조하고 광택이 나지 않는 표면들 사이에서 마찰력의 크기는 한 표면을 누르는 법선력에 비례하고 접촉면의 면적이나 접촉하는 물체의 속도와는 무관하다. 상대적으로 운동을 하는 접촉된 표면의 마찰을 운동마찰(미끄럼 마찰)이라 한다. 위의 법칙에 따르면 운동 마찰력은 수학적으로 다음과 같이 기술된다.

(1.2)
여기서 는 운동마찰계수로 물질마다 일정한 값을 가지는 특성 상수이다. 그림 1.2에서 마찰력의 크기는 식 1.3과 같다.

그림 1.2 경사진면을 미끄러질 때 물체에 작용하는 힘

(1.3)
미끄러지는 면의 알짜 힘은 다음과 같이 전개 할 수 있다.

(1.4)
(1.5)
(1.6)

로 전개하면,

(1.7)

이 되고 가속도의 평균값을 이용하여 마찰계수를 구하는 식은 다음과 같이 된다.

(1.8)

3. 시험장치 및 방법

(1) 실험장치

그림 1.3 경사낙하 실험장치

본 장치는 각도를 0～60도까지 변경할 수 있으며 시편은 무게가 비슷한 알루미늄, steel 그리고 고무 등 3가지가 제공된다. 시편은 모노레일 위에서 일직선 운동을 한다.

그림 1.4 운용 프로그램

(2) 실험방법
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