Ik weet het niet die deze gekke uitdaging heeft bedacht, maar het idee is om iemand in een uitgeholde kom met ijs te stoppen en te kijken of hij eruit kan komen. Rekening! De kom heeft de vorm van de binnenkant van een bol, dus hoe verder je langs de zijkanten omhoog gaat, hoe steiler hij wordt. Als u denkt dat een ijskoude stoep glad is, probeer dan bergopwaarts te gaan op een ijskoude stoep.
Wat te doen als u met een dergelijk probleem wordt geconfronteerd? Bouw natuurlijk een fysiek 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 uw brievenbus loopt, denkt u waarschijnlijk niet na over de mechanismen die daarbij betrokken zijn. Dat probleem heb je opgelost toen je klein was, toch? Maar dat is wat wetenschappers doen: we stellen vragen die niemand ooit heeft gesteld.
Trouwens, heb je je dit ooit afgevraagd omdat het 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.
Om te beginnen met lopen is in ieder geval een kracht in de bewegingsrichting nodig. Dit komt omdat veranderende beweging een soort versnelling is, en de tweede wet van Newton stelt dat de netto kracht op een object gelijk is aan het product van zijn massa maal 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 duwt? 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 er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is. Dit betekent dat de aarde a uitoefent vooruit-een kracht op u uitoefenen, die wij wrijvingskracht noemen.
De omvang van deze wrijvingskracht hangt van twee dingen af: (1) De specifieke materialen die in contact komen, die worden vastgelegd in een coëfficiënt (M) – een getal dat gewoonlijk tussen 0 en 1 ligt, waarbij lagere waarden duiden op gladder en minder grip. En (2) de kracht waarmee deze oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt, die we de normaalkracht noemen (Nee).
Normale kracht is een beetje een vreemd concept voor beginners in de natuurkunde, dus laat me het uitleggen. Normaal betekent loodrecht op het contactoppervlak. Het is een opwaartse kracht die ervoor zorgt dat je niet door de zwaartekracht op de grond valt. Als je je op een vlakke ondergrond bevindt, zijn deze twee krachten gelijk en tegengesteld. Ze heffen elkaar op, dus er is geen verticale versnelling.
Nog een laatste opmerking: er zijn twee 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. Deze grens wordt bepaald door art statisch wrijvingscoëfficiënt (MS).
Wanneer de barista de beker dus over de toonbank schuift, wordt de wrijvingsweerstand, die bepaalt hoe ver de beker gaat, bepaald door kinetisch wrijvingscoëfficiënt (Mk). Het is meestal lager, omdat het gemakkelijker is om iets in beweging te houden dan om het te starten.
Dus nu kunnen we de statica kwantificeren (Ffs) en kinetisch (Ffk) wrijvingskrachten:
