Siła tarcia jako siła dośrodkowa

Poprawna odpowiedź

1. Prawda., 2. Prawda., 3. Fałsz.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.

Wymaganie szczegółowe

1.2 Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń opisuje zależności między siłą dośrodkową a masą, prędkością liniową i promieniem oraz wskazuje przykłady sił pełniących rolę siły dośrodkowej

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność zastosowania pojęcia siły dośrodkowej do sytuacji praktycznej, znanej z życia codziennego. Zadanie zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Całość zadania prawidłowo rozwiązało 27,0% uczniów. Najmniej kłopotu sprawiło im stwierdzenie pierwsze (73,5% prawidłowych odpowiedzi). Aby rozwiązać tę część zadania, uczeń powinien przeanalizować wpływ sił działających na samochód na wartość i kierunek jego prędkości.

 Zauważmy, że w sytuacji w której samochód jedzie prosto ze stałą prędkością, działające na niego siły równoważą się. Siłę tarcia opon o jezdnię równoważy siłę z jaką samochód jest napędzany przez silnik. W chwili, w której kierowca zaczyna zakręcać, ustawia koła pod pewnym kątem do kierunku jazdy, co skutkuje powstaniem niezrównoważonej składowej tarcia, skierowanej prostopadle do kierunku jazdy samochodu. Właśnie ta składowa pełni rolę siły dośrodkowej i pod wpływem jej działania samochód zaczyna poruszać się po okręgu.

 Drugie stwierdzenie okazało się dla uczniów znacznie mniej oczywiste. Poprawnej odpowiedzi udzieliło w tym przypadku 54% uczniów. Aby prawidłowo ocenić to stwierdzenie należy pamiętać, że prędkość jest wielkością wektorową. Kierunek wektora prędkości jest zgodny z kierunkiem, w którym porusza się samochód. Skoro na skutek działania siły dośrodkowej zmienia się kierunek ruchu auta, zmienia się również kierunek wektora prędkości, co nie jest w żaden sposób sprzeczne z informacją podaną w zadaniu, dotyczącą stałej wartości prędkości. 

 Dosyć podobna okazała się rozwiązywalność trzeciego stwierdzenia. Prawidłowo oceniło je 51,8% uczestników badania. W tym przypadku o jego nieprawdziwości przesądza fakt, że zmienia się kierunek ruchu auta (co jest równoważne zmianie kierunku prędkości). Zatem działające na ciało siły nie mogą się równoważyć: zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona jeśli siły działające na samochód równoważyłyby się, poruszałby się on ruchem jednostajnym prostoliniowym lub pozostawał w spoczynku.

 Pomimo iż rozwiązywalność drugiego i trzeciego stwierdzenia jest porównywalna z prawdopodobieństwem losowego udzielenia odpowiedzi, stwierdzenia te różnicują uczniów znacznie lepiej niż stwierdzenie pierwsze.. Uzyskane wyniki wskazują na to, że  pojęcie siły dośrodkowej jest dla większości uczniów pojęciem trudnym. Warto zatem przy omawianiu rozmaitych zagadnień związanych z ruchem po okręgu zwracać uczniom uwagę na to, jaka siła pełni w danym przypadku rolę siły dośrodkowej.

Słowa kluczowe