利用Phyphox实测宽胶带卷在水磨石地面上的滚动摩擦因数

图1 实验场景

疫情防控期间，微主对Phyphox的研究渐入佳境，在逐渐熟悉Phyphox可视化编程的基本操作的基础上，微主在焦作十一中创客空间，做了利用“Phyphox测量宽胶带卷在水磨石地面上的滚动摩擦因数”的实验，效果比预期的还要好。

从办公室里找来一卷日常使用的宽胶带卷，原来估测胶带卷里面的纸筒内径应该与手机的宽度差不多，经过比较，发现手机的宽度还是略小于宽胶带纸筒的内径，但是如果给手机带上手机套，那竟然是刚刚好。

图2

在本次实验中，用Phyphox内置的陀螺仪测量胶带卷滚动的角速度，用游标卡尺测量胶带卷的直径，然后换算出胶带卷的半径。

如图2所示，用游标卡尺测得宽胶带卷的外直径为9.100cm。

将Phyphox陀螺仪输出的角速度与胶带卷的半径相乘，就得到了胶带卷在水磨石地面上滚动过程中的瞬时速度。

图3

微主来到创客空间门口的走廊里，把带有皮套的手机小心地放入宽胶带纸筒内，仔细调节手机在纸筒内的位置，使手机的重心与宽胶带卷的轴心重合。手机的重心与宽胶带卷的轴心重合的标志就是Phyphox输出的速度图像没有明显的波动。

手机的重心与宽胶带卷的轴心经过调节确保重合之后，将宽胶带卷放置在水磨石地面上，轻轻启动Phyphox，再给宽胶带卷一个合适的初始速度，宽胶带卷在水磨石地面上滚动起来了。

当宽胶带卷滚动速度减为零的瞬间，迅速地停止Phyphox的运行，手机屏幕上就输出了如图3所示的角速度时间图像、线速度时间图像和位移时间图像。

图4

如图4所示，点击速度时间图像，将图像放大至全屏，点按“平移和缩放”按钮，将速度时间图像缩放至合适大小；然后点按“选取数据”按钮，舍去开始和结束的一小段，选取中间图像均匀变化的一段，测量出这段时间内速度时间图像的斜率，即加速度。实际测量发现，宽胶带卷在水磨石地面上滚动过程中的加速度为-0.0856m/s^2。

图5

如图5所示，由牛顿第二定律可知，是地面对宽胶带卷的滚动摩擦力产生了宽胶带卷减速滚动的加速度。根据牛顿第二定律，Phyphox可以自动计算出宽胶带卷与水磨石地面之间的滚动摩擦因数。

本次实验，测得宽胶带卷与水磨石地面之间的滚动摩擦因数为0.00873。

图6

实测发现，在同种条件下，物体间的滚动摩擦因数远远小于物体间的滑动摩擦因数，这也正是在生产生活中人们总是设法让滚动摩擦去替代滑动摩擦的原因。

| 创客焦作 | 

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