Każdy kontakt między dwoma ciałami powoduje siłę tarcia. W tym przypadku nie ma znaczenia, w jakim zagregowanym stanie materii są ciała, czy poruszają się względem siebie, czy są w spoczynku. W tym artykule pokrótce rozważymy, jakie rodzaje tarcia występują w przyrodzie i technologii.
Tarcia spoczynkowe
Dla wielu może być dziwnym pomysłem, że tarcie ciał istnieje nawet wtedy, gdy są one w spoczynku względem siebie. Ponadto ta siła tarcia jest największą siłą spośród innych typów. Przejawia się, gdy próbujemy poruszyć dowolnym przedmiotem. Może to być klocek drewna, kamień, a nawet koło.
Przyczyną istnienia siły tarcia statycznego jest występowanie nierówności na powierzchniach styku, które oddziałują ze sobą mechanicznie na zasadzie „szczyt-dołek”.
Siła tarcia statycznego jest obliczana według następującego wzoru:
Ft1=µtN
Tutaj N jest reakcją podpory, z którą powierzchnia działa na ciało wzdłuż normalnej. Parametr µt to współczynnik tarcia. To zależy odmateriał stykających się powierzchni, jakość obróbki tych powierzchni, ich temperaturę i inne czynniki.
Zapisany wzór pokazuje, że siła tarcia statycznego nie zależy od powierzchni styku. Wyrażenie na Ft1 pozwala obliczyć tak zwaną siłę maksymalną. W wielu praktycznych przypadkach Ft1 nie jest maksimum. Jej wielkość jest zawsze równa sile zewnętrznej, która ma na celu wyrwanie ciała z odpoczynku.
Tarcia spoczynkowe odgrywają ważną rolę w życiu. Dzięki temu możemy poruszać się po ziemi, odpychając się od niej podeszwami stóp, bez poślizgu. Wszelkie ciała znajdujące się na płaszczyznach nachylonych do horyzontu nie ześlizgują się z nich pod wpływem siły Ft1.
Tarcia podczas przesuwania
Inny ważny rodzaj tarcia dla osoby objawia się, gdy jedno ciało ślizga się po powierzchni drugiego. Tarcie to powstaje z tego samego powodu fizycznego, co tarcie statyczne. Co więcej, jego siłę oblicza się według podobnego wzoru.
Ft2=µkN
Jedyną różnicą w stosunku do poprzedniego wzoru jest użycie różnych współczynników tarcia ślizgowego µk. Współczynniki µk są zawsze mniejsze niż podobne parametry tarcia statycznego dla tej samej pary powierzchni trących. W praktyce fakt ten objawia się następująco: stopniowy wzrost siły zewnętrznej prowadzi do wzrostu wartości Ft1 aż do osiągnięcia maksymalnej wartości. Potem onaspada gwałtownie o kilkadziesiąt procent do wartości Ft2 i utrzymuje się na stałym poziomie podczas ruchu ciała.
Współczynnik µk zależy od tych samych współczynników, co parametr µt dla tarcia statycznego. Siła tarcia ślizgowego Ft2 praktycznie nie zależy od prędkości ruchu ciał. Dopiero przy dużych prędkościach zauważalny jest spadek.
Znaczenie tarcia ślizgowego dla ludzkiego życia można zobaczyć na przykładach takich jak jazda na nartach lub łyżwach. W takich przypadkach współczynnik µk jest redukowany przez modyfikację powierzchni trących. Wręcz przeciwnie, posypywanie dróg solą i piaskiem ma na celu zwiększenie wartości współczynników µk i µt.
Tarcia toczne
Jest to jeden z ważnych rodzajów tarcia dla funkcjonowania nowoczesnej technologii. Jest obecny podczas obracania się łożysk i ruchu kół pojazdów. W przeciwieństwie do tarcia ślizgowego i spoczynkowego, tarcie toczne wynika z odkształcenia koła podczas ruchu. Ta deformacja, która występuje w obszarze elastycznym, rozprasza energię w wyniku histerezy, objawiając się jako siła tarcia podczas ruchu.
Obliczanie maksymalnej siły tarcia tocznego odbywa się według wzoru:
Ft3=d/RN
To znaczy, siła Ft3, ponieważ siły Ft1 i Ft2 są wprost proporcjonalna do reakcji podpory. Jednak zależy to również od twardości stykających się materiałów i promienia koła R. Wartośćd nazywa się współczynnikiem oporu toczenia. W przeciwieństwie do współczynników µk i µt, d ma wymiar długości.
Z reguły bezwymiarowy stosunek d/R okazuje się być o 1-2 rzędy wielkości mniejszy niż wartość µk. Oznacza to, że ruch ciał za pomocą toczenia jest znacznie korzystniejszy energetycznie niż za pomocą poślizgu. Dlatego tarcie toczne jest stosowane we wszystkich powierzchniach trących mechanizmów i maszyn.
Kąt tarcia
Wszystkie trzy rodzaje tarcia opisane powyżej charakteryzują się pewną siłą tarcia Ft, która jest wprost proporcjonalna do N. Obie siły są skierowane względem siebie pod kątem prostym. Kąt, jaki tworzy ich suma wektorowa z normalną do powierzchni, nazywa się kątem tarcia. Aby zrozumieć jej znaczenie, użyjmy tej definicji i zapiszmy ją w formie matematycznej, otrzymujemy:
Ft=kN;
tg(θ)=Ft/N=k
Zatem tangens kąta tarcia θ jest równy współczynnikowi tarcia k dla danego rodzaju siły. Oznacza to, że im większy kąt θ, tym większa siła tarcia.
Tarcie w cieczach i gazach
Kiedy ciało stałe porusza się w medium gazowym lub ciekłym, stale zderza się z cząsteczkami tego medium. Zderzenia te, połączone ze spadkiem prędkości ciała sztywnego, są przyczyną tarcia w substancjach płynnych.
Ten rodzaj tarcia jest silnie zależny od prędkości. Tak więc przy stosunkowo niskich prędkościach siła tarciaokazuje się być wprost proporcjonalna do prędkości ruchu v, podczas gdy przy dużych prędkościach mówimy o proporcjonalności v2.
Istnieje wiele przykładów tego tarcia, od ruchu łodzi i statków po lot samolotów.
