سوال ۵ — سؤال ۵ امتحان نهایی فیزیک ۳ تجربی — مرداد ۱۴۰۳

مکعب چوبی با جرم معین را روی سطح افقی قرار می‌دهیم و یک سر نیروسنج را به آن مکعب می‌بندیم. سپس به کمک نیروسنج مکعب را می‌کشیم و رفته‌رفته اندازهٔ نیرو را بیشتر می‌کنیم تا مکعب در آستانهٔ حرکت قرار بگیرد. در این حالت نیروی اصطکاک ایستایی وارد بر مکعب بیشینه است و داریم:

$$\mu_s mg = F$$

ایدهٔ آزمایش این است که مکعب را به آستانهٔ حرکت برسانیم؛ چون فقط در این لحظه اصطکاک ایستایی به بیشینهٔ خود می‌رسد و رابطهٔ $f_{s,max} = \mu_s F_N$ برقرار است.

مراحل آزمایش:

1. وزن مکعب را اندازه می‌گیریم (برای نمونه با آویزان کردن مکعب از همان نیروسنج)؛ یعنی $mg$ معلوم است.
2. مکعب را روی سطح افقی می‌گذاریم و یک سر نیروسنج را به آن می‌بندیم.
3. نیروسنج را به‌طور افقی می‌کشیم و نیرو را آرام‌آرام زیاد می‌کنیم. تا وقتی مکعب ساکن است، اصطکاک ایستایی با نیروی ما برابر است و همراه آن زیاد می‌شود.
4. عدد نیروسنج را درست در لحظه‌ای می‌خوانیم که مکعب در آستانهٔ حرکت است (همین که کمی بیشتر بکشیم، به راه می‌افتد). این عدد، $F$، برابر بیشینهٔ اصطکاک ایستایی است.

روی سطح افقی نیروی عمودی سطح با وزن برابر است ($F_N = mg$)، پس:

$$F = f_{s,max} = \mu_s mg \Rightarrow \mu_s = \frac{F}{mg}$$

برای دقت بیشتر می‌توان آزمایش را چند بار تکرار کرد و میانگین گرفت.