Każdy uczeń wie, że kiedy dochodzi do kontaktu dwóch stałych powierzchni, powstaje tak zwana siła tarcia. Zastanówmy się w tym artykule, co to jest, skupiając się na punkcie przyłożenia siły tarcia.
Jakie są rodzaje siły tarcia?
Przed rozważeniem punktu przyłożenia siły tarcia należy pokrótce przypomnieć, jakie rodzaje tarcia występują w naturze i technologii.
Zacznijmy rozważać tarcie statyczne. Ten typ charakteryzuje stan ciała stałego w spoczynku na pewnej powierzchni. Tarcie spoczynkowe zapobiega przemieszczeniu ciała ze stanu spoczynkowego. Na przykład, ze względu na działanie tej właśnie siły, trudno jest nam przesunąć szafkę stojącą na podłodze.
Tarcia ślizgowe to inny rodzaj tarcia. Przejawia się to w przypadku kontaktu dwóch powierzchni ślizgających się po sobie. Tarcie ślizgowe przeciwstawia się ruchowi (kierunek siły tarcia jest przeciwny do prędkości ciała). Uderzającym przykładem jego działania jest narciarz lub łyżwiarz ślizgający się po lodzie po śniegu.
Wreszcie trzeci rodzaj tarcia to tarcie. Istnieje zawsze, gdy jedno ciało toczy się po powierzchni drugiego. Na przykład toczenie się koła lub łożysk to najlepsze przykłady, w których ważne jest tarcie toczne.
Pierwsze dwa z opisanych typów powstają z powodu chropowatości powierzchni trących. Trzeci typ powstaje w wyniku histerezy odkształcenia korpusu tocznego.
Punkty przyłożenia sił tarcia ślizgowego i spoczynkowego
Powyżej powiedziano, że tarcie statyczne zapobiega działaniu zewnętrznej siły, która ma tendencję do przesuwania obiektu wzdłuż powierzchni styku. Oznacza to, że kierunek siły tarcia jest przeciwny do kierunku siły zewnętrznej równoległej do powierzchni. Punkt przyłożenia rozważanej siły tarcia znajduje się w obszarze styku dwóch powierzchni.
Ważne jest zrozumienie, że siła tarcia statycznego nie jest wartością stałą. Ma maksymalną wartość, którą oblicza się według następującego wzoru:
Ft=µtN.
Jednak ta maksymalna wartość pojawia się tylko wtedy, gdy ciało zaczyna się poruszać. W każdym innym przypadku siła tarcia statycznego jest dokładnie równa wartości bezwzględnej równoległej powierzchni siły zewnętrznej.
Jeśli chodzi o punkt przyłożenia siły tarcia ślizgowego, nie różni się on od punktu dla tarcia statycznego. Mówiąc o różnicy między tarciem statycznym a ślizgowym, należy zwrócić uwagę na bezwzględne znaczenie tych sił. Zatem siła tarcia ślizgowego dla danej pary materiałów jest wartością stałą. Ponadto jest zawsze mniejsza niż maksymalna siła tarcia statycznego.
Jak widać, punkt przyłożenia sił tarcia nie pokrywa się ze środkiem ciężkości ciała. Oznacza to, że rozważane siły tworzą moment, który ma tendencję do wywracania korpusu ślizgowego do przodu. To ostatnie można zaobserwować, gdy rowerzysta mocno hamuje przednim kołem.
Tarcie toczne i jego punkt przyłożenia
Ponieważ fizyczna przyczyna tarcia tocznego jest inna niż dla omówionych powyżej rodzajów tarcia, punkt przyłożenia siły tarcia tocznego ma nieco inny charakter.
Załóżmy, że koło samochodu jest na chodniku. Jest oczywiste, że to koło jest zdeformowane. Powierzchnia jego kontaktu z asf altem wynosi 2dl, gdzie l to szerokość koła, 2d to długość bocznego kontaktu koła z asf altem. Siła tarcia tocznego w swej istocie fizycznej przejawia się w postaci momentu reakcji podpory skierowanej przeciw obrotowi koła. Ten moment jest obliczany w następujący sposób:
M=Nd
Jeśli podzielimy ją i pomnożymy przez promień koła R, otrzymamy:
M=Nd/RR=FtR gdzie Ft=Nd/R
Tak więc siła tarcia tocznego Ft jest w rzeczywistości reakcją podpory, tworzącą moment siły, który ma tendencję do spowalniania obrotu koła.
Punkt przyłożenia tej siły jest skierowany pionowo w górę w stosunku do powierzchni samolotu i jest przesunięty w prawo od środka masy o d (przy założeniu, że koło porusza się od lewej do prawej).
Przykład rozwiązywania problemów
AkcjaJakakolwiek siła tarcia ma tendencję do spowalniania mechanicznego ruchu ciał, jednocześnie przekształcając ich energię kinetyczną w ciepło. Rozwiążmy następujący problem:
bar ślizga się po pochyłej powierzchni. Konieczne jest obliczenie przyspieszenia jego ruchu, jeśli wiadomo, że współczynnik poślizgu wynosi 0,35, a kąt nachylenia powierzchni 35o.
Zastanówmy się, jakie siły działają na poprzeczkę. Po pierwsze, składowa grawitacyjna skierowana jest w dół wzdłuż powierzchni ślizgowej. Jest równy:
F=mgsin(α)
Po drugie, wzdłuż płaszczyzny działa stała siła tarcia, która jest skierowana przeciwko wektorowi przyspieszenia ciała. Można to określić wzorem:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Wtedy prawo Newtona dla pręta poruszającego się z przyspieszeniem przybierze postać:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Podstawiając dane do równości, otrzymujemy, że a=2,81 m/s2. Zauważ, że znalezione przyspieszenie nie zależy od masy pręta.
