Ik weet het niet die deze gekke uitdaging heeft bedacht, maar het idee is om iemand in een uitgesneden ijskom te stoppen en te kijken of hij eruit kan komen. Bekijk het eens! De kom heeft de vorm van de binnenkant van een bol, dus hoe hoger je aan de zijkanten komt, hoe steiler hij wordt. Als u denkt dat een bevroren trottoir glad is, probeer dan bergopwaarts te gaan op een bevroren trottoir.
Wat doe je als je met een dergelijk probleem wordt geconfronteerd? Je bouwt natuurlijk een natuurkundig model. We beginnen met het modelleren van hoe mensen op een vlakke ondergrond lopen, en passen dit vervolgens toe op een gladde helling. Er zijn eigenlijk drie mogelijke ontsnappingsplannen, en ik heb dit model gebruikt om animaties te genereren, zodat je kunt zien hoe ze werken. Dus, eerst en vooral:
Hoe lopen mensen?
Wanneer u van uw voordeur naar de brievenbus schuifelt, denkt u waarschijnlijk niet na over de mechanismen die daarbij betrokken zijn. Dat probleem heb je opgelost toen je een peuter was, toch? Maar dit is wat wetenschappers doen: we stellen vragen waar niemand zich ooit over heeft afgevraagd.
Daarover gesproken, heb je je dat ooit afgevraagd? waarom ijs glad is? Geloof het of niet, we weten het niet. De directe reden is dat het een dunne, waterige laag op het oppervlak heeft. Maar Waarom? Die vloeistoffilm bestaat zelfs onder het vriespunt. Natuur- en scheikundigen discussiëren hier al eeuwenlang over.
Hoe dan ook, om te kunnen gaan lopen, is er een kracht nodig in de bewegingsrichting. Dit komt omdat veranderende beweging een soort versnelling is, en de tweede wet van Newton zegt dat de netto kracht op een object gelijk is aan het product van zijn massa en zijn versnelling (F = aan). Als er sprake is van een versnelling, moet er een netto kracht zijn.
Dus wat is die kracht die jou vooruit stuwt? Welnu, als je een stap zet en afzet met je achterste voet, 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 vooruit-kracht naar u terug richten, wat wij wrijvingskracht noemen.
De omvang van deze wrijvingskracht hangt van twee dingen af: (1) De specifieke materialen die in contact komen, wat wordt vastgelegd in een coëfficiënt (M) – een getal dat gewoonlijk tussen 0 en 1 ligt, waarbij lagere waarden gladder en minder gripvast zijn. En (2) hoe hard deze oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt, wat we de normaalkracht noemen (N).
De normaalkracht is een nogal raar concept voor nieuwkomers in de natuurkunde, dus laat het me uitleggen. Normaal betekent loodrecht op het contactoppervlak. Het is een opwaartse kracht die voorkomt dat je onder invloed van de zwaartekracht door de vloer zakt. Als je op een vlakke ondergrond staat, zijn deze twee krachten gelijk en tegengesteld, waardoor ze elkaar opheffen, dus er is geen verticale versnelling.
Nog een laatste opmerking: er zijn twee verschillende soorten wrijvingscoëfficiënten. De ene is wanneer je twee stilstaande voorwerpen hebt, zoals een bierpul op een bar, en je wilt weten hoe hard je kunt duwen voordat je hem in beweging brengt. Die grens wordt bepaald door de statisch wrijvingscoëfficiënt (MS).
Wanneer de barman je mok vervolgens langs de bar schuift, wordt de wrijvingsweerstand (die bepaalt hoe ver de mok gaat) bepaald door de kinetisch wrijvingscoëfficiënt (Mk). Dit is meestal lager, omdat het gemakkelijker is om iets in beweging te houden dan om het in beweging te brengen.
Dus nu kunnen we de statische (Ffs) en kinetisch (Ffk) wrijvingskrachten:
