Piano inclinato Friction-o-meter
In scrittura; Mancano le figure
Stato: Funzionante
| Descrizione | Sistema elettronico per esperimenti di fisica |
| Licenza | |
| Autore | Jacopo, Stefano T. |
| Contributi | |
| Categorie | Didattica, Arduino |
| Link |
Friction-o-meter è uno uno strumento di misura, basato su Arduino, per gli esperimenti di fisica. È stato realizzato in collaborazione con un insegnante del Liceo Scientifico "il Pontormo".
Materiali utilizzati
- Livella elettronica (funge da base per il piano inclinato e consente di misurarne con buona precisione l'angolo di inclinazione);
- 3 sensori di prossimità ad infrarossi (fototransistor CNY70 o equivalenti);
- Arduino UNO;
- LCD shield (espansione che integra un display ed alcuni pulsanti);
Principi di funzionamento ed utilizzo
Lo strumento dispone di tre fotocellule ad infrarosso poste a distanza nota lungo la superficie inclinata. Avviata la fase di misura, il dispositivo resta in attesa che un'oggetto rotoli oscurando successivamente i tre sensori, quindi mostra sul display i tempi di oscuramento di ciascun sensore e gli intervalli che intercorrono fra il passaggio da un sensore al successivo.
In questo modo è possibile ricavare approssimantivamente le velocità istantanee dell'oggetto. In particolare, sfruttando un oggetto sottile ed a base piatta , noti il tempo di oscuramento e la larghezza dell'oggetto è possibile ricavarne una stima della velocità istantanta applicando la legge del moto rettilineo uniforme
<math>v = \frac{\text{spazio coprente}}{\text{tempo oscuramento}}</math>
Misura dell'accelerazione media
Sfruttando un oggetto che minimizzi l'attrito dinamico (ad esempio un cilindretto sottile che rotola senza strisciare) a partire dalle velocità istantanee è possibile ricavare sperimentalmente il valore dell'accelerazione media del corpo. Infatti:
<math>a_m = \frac{v_2-v_1}{t_2 - t_1}</math>
<math>t_2 - t_1</math> rappresenta il tempo impiegato dal cilindretto a spostarsi da un punto di controllo al successivo, valore che lo strumento mostra sul display.
Approssimando il cilindretto come punto materiale e disegnando le forze che agiscono nella direzione di rotolamento si può scrivere la legge di Newton come
<math>\sum F= ma</math>
<math>F_p\cdot\sin(\theta) = mg\cdot\sin(\theta) = ma</math>
<math>g = \frac{a}{\sin(\theta)}</math>
Quindi è possibile stimare la costante di accelerazione g, misurati l'accelerazione media e l'angolo di inclinazione.
Misura del coefficiente di attrito statico
È sufficiente porre il corpo sul piano inclinato ed incrementare lentamente l'angolo di inclinazione finché questo non inizia a muoversi. Applicando il bilancio delle forze si ricava il coefficiente di attrito statico, ricordando che per l'angolo limite il corpo non deve ancora muoversi (a = 0):
<math>\begin{cases} N = F_p \cdot \cos(\theta)\\ F_p \cdot \sin(\theta) - F_a = 0 \end{cases} </math>
<math> F_p \cdot \sin(\theta) = mg\cdot\sin(\theta) \qquad F_a = \mu_s N = \mu_s mg\cdot\cos(\theta) </math>
<math>\mu_s = \frac{\sin(\theta)}{\cos(\theta)} = \tan(\theta)</math>
Misura del coefficiente di attrito dinamico
La forza di attrito dinamico dipende dall'accelerazione dell'oggetto secondo la relazione
<math>F_a = \mu_d N = \mu_d mg \cdot \cos(\theta)</math>
Il bilancio delle forze è in questa condizione non nullo, lungo la direzione di scivolamento
<math>F_p \cdot\sin(\theta) - F_a = ma</math>
<math>mg \cdot\sin(\theta) - \mu_d mg \cdot\cos(\theta) = ma</math>
<math>\mu_d = \frac{g \cdot \sin(\theta) - a}{g \cdot\cos(\theta)}</math>
g è noto, theta si misura con la livella, a è l'accelerazione media e si ricava come descritto in precedenza.
Non è una misura rigorosa perché il piano di scivolamento non è uniforme e il coefficiente di attrito dinamico non sarebbe a rigori costante.