Tarcie to zjawisko, z którym cały czas stykamy się w codziennym życiu. Nie da się określić, czy tarcie jest szkodliwe czy korzystne. Wykonanie nawet kroku na śliskim lodzie wydaje się trudnym zadaniem, chodzenie po nierównej nawierzchni asf altowej to przyjemność. Części samochodowe bez smarowania zużywają się znacznie szybciej.
Badanie tarcia, znajomość jego podstawowych właściwości pozwala na jego wykorzystanie.
Siła tarcia w fizyce
Siła powstająca w wyniku ruchu lub próby ruchu jednego ciała na powierzchni drugiego, skierowana przeciwnie do kierunku ruchu, przyłożona do poruszających się ciał, nazywana jest siłą tarcia. Moduł siły tarcia, którego wzór zależy od wielu parametrów, zmienia się w zależności od rodzaju oporu.
Wyróżnia się następujące rodzaje tarcia:
• odpoczynek;
• poślizg;
• toczenie.
Każda próba przeniesienia ciężkiego przedmiotu (szafy, kamienia) z jego miejsca prowadzi do napięcia siły osoby. Jednocześnie nie zawsze jest możliwe wprawienie obiektu w ruch. Tarcie spoczynku przeszkadza w tym.
Stan spoczynku
Wzór obliczeniowy siły tarcia statycznegonie pozwala nam tego wystarczająco dokładnie określić. Zgodnie z trzecim prawem Newtona, wielkość statycznej siły oporu zależy od przyłożonej siły.
Wraz ze wzrostem siły rośnie siła tarcia.
0 < Fproblemy z odpoczynkiem < Fmax
Tarcie spoczynkowe zapobiega wypadaniu gwoździ wbitych w drewno; guziki wszyte nicią są mocno trzymane na miejscu. Co ciekawe, to właśnie opór spoczynku pozwala człowiekowi chodzić. Ponadto skierowana jest w kierunku ruchu człowieka, co jest sprzeczne z ogólnym stanem rzeczy.
Zjawisko poślizgu
Kiedy siła zewnętrzna, która porusza ciało, wzrasta do wartości największej siły tarcia statycznego, ciało zaczyna się poruszać. Siła tarcia ślizgowego jest rozpatrywana w procesie przesuwania jednego ciała po powierzchni drugiego. Jego wartość zależy od właściwości współpracujących powierzchni i siły pionowego oddziaływania na powierzchnię.
Wzór na obliczenie siły tarcia ślizgowego: F=ΜP, gdzie Μ jest współczynnikiem proporcjonalności (tarcia ślizgowego), P jest siłą pionowego (normalnego) nacisku.
Jedną z sił napędowych jest siła tarcia ślizgowego, której wzór zapisano na podstawie siły reakcji podpory. Ze względu na spełnienie trzeciego prawa Newtona siły ciśnienia normalnego i reakcja podpory mają taką samą wielkość i są przeciwne w kierunku: Р=N.
Zanim znajdziesz siłę tarcia, której wzór przybiera inną postać (F=M N), wyznacz siłę reakcji.
Współczynnik oporu ślizgowego jest wprowadzany doświadczalnie dla dwóch powierzchni trących, zależny od jakości ich obróbki i materiału.
Tabela. Wartość współczynnika oporu dla różnych powierzchni
| pp | Wzajemne powierzchnie | Wartość współczynnika tarcia ślizgowego |
| 1 | Stal+lód | 0, 027 |
| 2 | Dąb+dąb | 0, 54 |
| 3 | Skóra+żeliwo | 0, 28 |
| 4 | Brąz+żelazo | 0, 19 |
| 5 | Brąz+żeliwo | 0, 16 |
| 6 | Stal+stal | 0, 15 |
Największą siłę tarcia statycznego, której wzór napisano powyżej, można wyznaczyć w taki sam sposób jak siłę tarcia ślizgowego.
To staje się ważne przy rozwiązywaniu problemów w celu określenia siły oporu jazdy. Na przykład książka poruszana ręką przyciśniętą od góry ślizga się pod działaniem oporu spoczynkowego, który powstaje między ręką a książką. Wielkość oporu zależy od wartości pionowej siły nacisku na książkę.
Zjawisko toczenia
Przejście naszych przodków z włóki do rydwanów jest uważane za rewolucyjne. Wynalazek koła jest największym wynalazkiem ludzkości. Tarcie toczne, które występuje, gdy koło porusza się po powierzchni, jest znacznie mniejsze niż opór ślizgowy.
Pojawienie się sił tarcia tocznego związane jest z siłami normalnego nacisku koła na powierzchnię, ma charakter odróżniający je od poślizgu. Na skutek niewielkiego odkształcenia koła w środku formowanego obszaru i wzdłuż jego krawędzi powstają różne siły nacisku. Ta różnica sił determinuje występowanie oporów toczenia.
Wzór obliczeniowy siły tarcia tocznego jest zwykle przyjmowany podobnie do procesu poślizgu. Różnica jest widoczna tylko w wartościach współczynnika oporu.
Charakter oporu
Gdy zmienia się chropowatość powierzchni trących, zmienia się również wartość siły tarcia. Przy dużym powiększeniu dwie stykające się ze sobą powierzchnie wyglądają jak wypukłości z ostrymi wierzchołkami. Po nałożeniu to wystające części ciała stykają się ze sobą. Całkowity obszar kontaktu jest nieznaczny. Kiedy poruszają się lub próbują poruszyć ciałami, „szczyty” tworzą opór. Wielkość siły tarcia nie zależy od obszaru powierzchni styku.
Wydaje się, że dwie idealnie gładkie powierzchnie nie powinny napotkać żadnego oporu. W praktyce siła tarcia w tym przypadku jest maksymalna. Ta rozbieżność tłumaczy się naturą pochodzenia sił. Są to siły elektromagnetyczne działające między atomami oddziałujących ze sobą ciał.
Procesy mechaniczne, którym nie towarzyszy tarcie w naturze, są niemożliwe, ponieważ możliwość „wyłączenia”nie ma interakcji elektrycznych między naładowanymi ciałami. Niezależność sił oporu od wzajemnego położenia ciał pozwala nazwać je niepotencjalnymi.
Ciekawe, że siła tarcia, której wzór zmienia się w zależności od prędkości oddziałujących ze sobą ciał, jest proporcjonalna do kwadratu odpowiadającej jej prędkości. Siła ta obejmuje siłę oporu lepkości w płynie.
Ruch w cieczy i gazie
Ruchowi ciała stałego w cieczy lub gazie, cieczy w pobliżu powierzchni stałej towarzyszy lepki opór. Jej występowanie związane jest z oddziaływaniem warstw płynu porywanych przez ciało stałe w procesie ruchu. Różne prędkości warstw są źródłem tarcia lepkiego. Osobliwością tego zjawiska jest brak tarcia statycznego płynu. Niezależnie od wielkości wpływu zewnętrznego, ciało w płynie zaczyna się poruszać.
W zależności od prędkości ruchu siła oporu zależy od prędkości ruchu, kształtu poruszającego się ciała i lepkości płynu. Ruchowi w wodzie i oleju tego samego ciała towarzyszy opór o różnej wielkości.
Dla małych prędkości: F=kv, gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności zależnym od liniowych wymiarów ciała i właściwości medium, v jest prędkością ciała.
Temperatura płynu również wpływa na tarcie w nim zawarte. W mroźne dni rozgrzewa się samochód, dzięki czemu olej się nagrzewa (spada jego lepkość) i pomaga zmniejszyć zniszczenie stykających się części silnika.
Przyspieszenie
Znaczny wzrost prędkości ciała może spowodować pojawienie się przepływów turbulentnych, podczas gdy opór gwałtownie wzrasta. Wartości to: kwadrat prędkości ruchu, gęstość medium i powierzchnia ciała. Wzór na siłę tarcia przybiera inną postać:
F=kv2, gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności zależnym od kształtu ciała i właściwości medium, v jest prędkością ciała.
Jeżeli ciało jest opływowe, turbulencje można zmniejszyć. Kształt ciała delfinów i wielorybów jest doskonałym przykładem praw natury, które wpływają na prędkość zwierząt.
Podejście energetyczne
Wykonywanie pracy polegającej na poruszaniu ciałem jest utrudnione przez opór otoczenia. Posługując się zasadą zachowania energii, mówią, że zmiana energii mechanicznej jest równa pracy sił tarcia.
Praca siły jest obliczana ze wzoru: A=Fscosα, gdzie F jest siłą, z jaką ciało porusza się na odległość s, α jest kątem między kierunkami siły i przemieszczenia.
Oczywiście siła oporu jest przeciwna do ruchu ciała, stąd cosα=-1. Praca siły tarcia, której wzór to Atr=- Fs, wartość jest ujemna. W tym przypadku energia mechaniczna jest zamieniana na energię wewnętrzną (odkształcenie, nagrzewanie).
