Ik weet het niet die deze gekke uitdaging bedacht, maar het idee was om iemand in een uitgesneden kom met ijs te stoppen en te kijken of hij eruit kon komen. Laat me eens kijken! De kom heeft de vorm van de binnenkant van een bal, dus hoe hoger de zijkanten, hoe steiler de kom. Als u denkt dat koud wegdek glad is, probeer dan bergopwaarts te gaan op koud wegdek.
Wat doe je als je met een dergelijk probleem wordt geconfronteerd? Je maakt natuurlijk een natuurkundig model. We beginnen met het modelleren van hoe mensen op vlakke grond lopen en passen dit vervolgens toe op gladde hellingen. Er zijn eigenlijk drie mogelijke ontsnappingsplannen, en ik heb dit model gebruikt om een animatie te maken, zodat je kunt zien hoe het werkt. Dus, eerst en vooral:
Hoe lopen mensen?
Als je van de voordeur naar de brievenbus gaat, denk je waarschijnlijk niet na over de monteurs die erbij komen kijken. Dat probleem heb je opgelost toen je een peuter was, toch? Maar dit is wat wetenschappers doen: we stellen vragen die niemand zich ooit heeft afgevraagd.
Trouwens, heb je je dat ooit afgevraagd? waarom ijs glad is? Geloof het of niet, we weten het niet. De directe reden is dat het oppervlak een dunne en waterige laag heeft. Maar Waarom? Zelfs onder het vriespunt bestaat de vloeistoffilm. Natuur- en scheikundigen debatteren hier al eeuwenlang over.
Kortom, om te kunnen gaan lopen, is er een kracht nodig in de richting van de beweging. Dit komt omdat een verandering in beweging een soort versnelling is, en de tweede wet van Newton stelt dat de totale kracht op een object gelijk is aan het product van zijn massa en versnelling (F = actief). Als er versnelling is, moet er een netto kracht zijn.
Dus welke krachten drijven jou vooruit? Welnu, als je met je achterste voet stapt en afzet, oefenen je spieren een achterwaartse kracht uit op de aarde. En de derde wet van Newton zegt dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft. Dat betekent dat de aarde a uitoefent doorgaan-de kracht die het terug naar jou richt, wat we wrijvingskracht noemen.
De grootte van deze wrijvingskracht hangt van twee dingen af: (1) Het specifieke materiaal dat in contact komt, wat wordt uitgedrukt in de coëfficiënt (M) – een getal dat gewoonlijk tussen 0 en 1 ligt, waarbij lagere waarden vloeiender en minder plakkerig betekenen. En (2) hoe hard de oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt, wat we de normaalkracht noemen (N).
Normaalkracht is een vreemd concept voor beginners in de natuurkunde, dus laat het me uitleggen. Normaal betekent loodrecht op het contactoppervlak. Dit is een opwaartse duwkracht die voorkomt dat je door de zwaartekracht op de grond valt. Als je op een vlakke ondergrond zou staan, zouden deze twee krachten even groot en tegengesteld in richting zijn, waardoor ze elkaar opheffen, en er dus geen verticale versnelling zou zijn.
Nog een laatste opmerking: er zijn twee soorten wrijvingscoëfficiënten. De ene is wanneer je twee stilstaande voorwerpen hebt, zoals bierpullen op een bar, en je wilt weten hoe hard je ze kunt duwen voordat je ze laat bewegen. De grenzen worden bepaald door statisch wrijvingscoëfficiënt (MS).
Vervolgens, terwijl de barman uw mok langs de bar schuift, wordt de wrijvingsweerstand (die bepaalt hoe ver de mok beweegt) bepaald door kinetisch wrijvingscoëfficiënt (Mk). Dit is meestal lager, omdat het makkelijker is om iets in beweging te houden dan om het te starten.
Dus nu kunnen we de statische waarde meten (Ffs) en kinetisch (Ffk) wrijvingskracht:
