Siła tarcia to wielkość fizyczna, która uniemożliwia jakikolwiek ruch ciała. Z reguły występuje, gdy ciała poruszają się w materii stałej, płynnej i gazowej. Różne rodzaje sił tarcia odgrywają ważną rolę w życiu człowieka, ponieważ zapobiegają nadmiernemu zwiększeniu prędkości ciał.
Klasyfikacja sił tarcia
W ogólnym przypadku wszystkie rodzaje sił tarcia są opisane trzema rodzajami: siła tarcia ślizgu, toczenia i spoczynku. Pierwszy jest statyczny, dwa pozostałe są dynamiczne. Tarcie w spoczynku zapobiega ruchowi ciała, z kolei podczas poślizgu tarcie występuje, gdy ciało ociera się o powierzchnię innego ciała podczas ruchu. Tarcie toczne występuje, gdy porusza się okrągły przedmiot. Weźmy przykład. Uderzającym przykładem tego typu (siła tarcia tocznego) jest ruch kół samochodowych po asfalcie.
Natura sił tarcia polega na istnieniu mikroskopijnych niedoskonałości pomiędzy ocierającymi się powierzchniami dwóch ciał. Z tego powodu wynikowa siła działająca naobiekt poruszający się lub zaczynający się poruszać, składa się z sumy siły normalnej reakcji podpory N, skierowanej prostopadle do powierzchni stykających się ciał, oraz siły tarcia F. Ta ostatnia jest skierowana równolegle do powierzchnia styku i jest przeciwna do ruchu ciała.
Tarcie między dwoma ciałami stałymi
Rozważając kwestię różnych rodzajów sił tarcia, zaobserwowano następujące wzorce dla dwóch ciał stałych:
- Siła tarcia jest skierowana równolegle do powierzchni podparcia.
- Współczynnik tarcia zależy od rodzaju stykających się powierzchni, a także od ich stanu.
- Maksymalna siła tarcia jest wprost proporcjonalna do normalnej siły lub reakcji podparcia, która działa między powierzchniami styku.
- Dla tych samych ciał siła tarcia jest większa, zanim ciało zacznie się poruszać, a następnie maleje, gdy ciało zacznie się poruszać.
- Współczynnik tarcia nie zależy od powierzchni styku i praktycznie nie zależy od prędkości poślizgu.
Prawa
Podsumowując materiał doświadczalny dotyczący praw ruchu, ustaliliśmy następujące podstawowe prawa dotyczące tarcia:
- Opór podczas przesuwania się między dwoma ciałami jest proporcjonalny do siły normalnej działającej między nimi.
- Opór ruchu pomiędzy trącymi się elementami nie zależy od powierzchni styku między nimi.
Aby zademonstrować drugie prawo, możemy podać następujący przykład: jeśli weźmiesz klocek i przesuniesz go przesuwając się po powierzchni, to siła niezbędna do takiego ruchubędzie taka sama, gdy klocek leży na powierzchni swoim długim bokiem i gdy stoi końcem.
Prawa dotyczące różnych rodzajów sił tarcia w fizyce zostały odkryte pod koniec XV wieku przez Leonarda da Vinci. Potem na długo zostały zapomniane i dopiero w 1699 roku zostały ponownie odkryte przez francuskiego inżyniera Amontona. Od tego czasu jego imię noszą prawa tarcia.
Dlaczego siła tarcia jest większa niż siła ślizgania w spoczynku?
Rozważając kilka rodzajów sił tarcia (spoczynkowe i ślizgowe), należy zauważyć, że siła tarcia statycznego jest zawsze mniejsza lub równa iloczynowi współczynnika tarcia statycznego i siły reakcji podpory. Współczynnik tarcia jest wyznaczany eksperymentalnie dla tych materiałów ściernych i wprowadzany do odpowiednich tabel.
Siła dynamiczna jest obliczana w taki sam sposób jak siła statyczna. Tylko w tym przypadku współczynnik tarcia jest używany specjalnie do poślizgu. Współczynnik tarcia jest zwykle oznaczany grecką literą Μ (mu). Zatem ogólny wzór dla obu sił tarcia jest następujący: Ftr=ΜN, gdzie N jest siłą reakcji podpory.
Natura różnicy między tymi rodzajami sił tarcia nie została dokładnie ustalona. Jednak większość naukowców uważa, że siła tarcia statycznego jest większa niż siła tarcia ślizgowego, ponieważ gdy ciała pozostają w spoczynku przez pewien czas, między ich powierzchniami mogą tworzyć się wiązania jonowe lub mikrofuzje poszczególnych punktów powierzchni. Czynniki te powodują wzrost statykiwskaźnik.
Przykładem kilku rodzajów siły tarcia i ich przejawem jest tłok w cylindrze silnika samochodowego, który jest "przylutowany" do cylindra jeśli silnik nie pracuje przez dłuższy czas.
Korpus przesuwny poziomy
Otrzymajmy równanie ruchu dla ciała, które pod działaniem siły zewnętrznej Fin zaczyna poruszać się po powierzchni poprzez ślizganie. W takim przypadku na ciało działają następujące siły:
- Fv – siła zewnętrzna;
- Ftr – siła tarcia przeciwna do siły Fv;
- N jest siłą reakcji podpory, która jest równa w wartości bezwzględnej ciężarowi ciała P i jest skierowana na powierzchnię, czyli pod kątem prostym do niej.
Biorąc pod uwagę kierunki wszystkich sił, piszemy drugie prawo Newtona dla tego przypadku ruchu: Fv - Ftr=ma, gdzie m - masa ciała, a - przyspieszenie ruchu. Wiedząc, że Ftr=ΜN, N=P=mg, gdzie g jest przyspieszeniem swobodnego spadania, otrzymujemy: Fv – Μmg=ma. Stąd wyrażając przyspieszenie, z jakim porusza się korpus ślizgowy, otrzymujemy: a=F in / m – Μg.
Ruch ciała sztywnego w cieczy
Rozważając, jakie rodzaje sił tarcia istnieją, należy wspomnieć o ważnym zjawisku w fizyce, jakim jest opis ruchu ciała stałego w cieczy. W tym przypadku mówimy o tarciu aerodynamicznym, które określa się w zależności od prędkości ciała w płynie. Istnieją dwa rodzaje ruchu:
- Kiedyciało sztywne porusza się z małą prędkością, mówi się o ruchu laminarnym. Siła tarcia w ruchu laminarnym jest proporcjonalna do prędkości. Przykładem jest prawo Stokesa dla ciał kulistych.
- Kiedy ruch ciała w płynie następuje z prędkością większą niż określona wartość progowa, wokół ciała zaczynają pojawiać się wiry płynów. Wiry te wytwarzają dodatkową siłę, która utrudnia ruch, w wyniku czego siła tarcia jest proporcjonalna do kwadratu prędkości.
Charakter siły tarcia tocznego
Gdy mówimy o rodzajach sił tarcia, zwyczajowo nazywa się siłę tarcia tocznego trzecim rodzajem. Przejawia się to, gdy ciało przetacza się po określonej powierzchni i dochodzi do deformacji tego ciała i samej powierzchni. Oznacza to, że w przypadku absolutnie nieodkształcalnego korpusu i powierzchni nie ma sensu mówić o sile tarcia tocznego. Przyjrzyjmy się bliżej.
Koncepcja współczynnika tarcia tocznego jest podobna do koncepcji ślizgania. Ponieważ nie ma poślizgu między powierzchniami korpusów podczas toczenia, współczynnik tarcia tocznego jest znacznie mniejszy niż w przypadku poślizgu.
Głównym czynnikiem wpływającym na współczynnik jest histereza energii mechanicznej dla rodzaju siły tarcia tocznego. W szczególności koło, w zależności od materiału, z którego jest wykonane, a także od przenoszonego ładunku, odkształca się sprężyście podczas ruchu. Powtarzające się cykle odkształcenia sprężystego prowadzą do zamiany części energii mechanicznej na energię cieplną. Ponadto ze względu nauszkodzenia, kontakt koła z powierzchnią ma już pewną skończoną powierzchnię styku.
wzór na siłę tarcia tocznego
Jeżeli zastosujemy wyrażenie do momentu siły, która obraca koło, wtedy możemy otrzymać, że siła tarcia tocznego wynosi Ftr.k.=Μ k N / R, tutaj N to reakcja podpory, R to promień koła, Μк – współczynnik tarcia tocznego. Tak więc siła tarcia tocznego jest odwrotnie proporcjonalna do promienia, co tłumaczy przewagę dużych kół nad małymi.
Odwrotna proporcjonalność tej siły do promienia koła sugeruje, że w przypadku dwóch kół o różnych promieniach, które mają tę samą masę i są wykonane z tego samego materiału, koło o większym promieniu jest łatwiejsze do ruch.
Współczynnik toczenia
Zgodnie ze wzorem na ten rodzaj siły tarcia otrzymujemy, że współczynnik tarcia tocznego Μk ma wymiar długości. Zależy to głównie od charakteru ciał kontaktowych. Wartość, która jest określona przez stosunek współczynnika tarcia tocznego do promienia, nazywana jest współczynnikiem toczenia, to znaczy Ck=Μk / R jest wielkością bezwymiarową.
Współczynnik toczenia Ck jest znacznie mniejszy niż współczynnik tarcia ślizgowego Μtr. Dlatego odpowiadając na pytanie, jaki rodzaj siły tarcia jest najmniejszy, śmiało możemy nazwać siłę tarcia tocznego. Dzięki temu wynalezienie koła jest uważane za ważny krok w postępie technologicznym.ludzkość.
Przełożenie toczenia jest specyficzne dla systemu i zależy od następujących czynników:
- twardość koła i powierzchni (im mniejsze odkształcenie ciał występujące podczas ruchu, tym niższy współczynnik toczenia);
- promień koła;
- ciężar, który działa na koło;
- powierzchnia styku i jej kształt;
- lepkość w obszarze kontaktu koła z powierzchnią;
- temperatura ciała
